SU764026A1

SU764026A1 - Laser with self-limited junctions

Info

Publication number: SU764026A1
Application number: SU782698549A
Authority: SU
Inventors: Вячеслав Михайлович Батенин; Александр Леонидович Голгер; Иван Иванович Климовский
Original assignee: Институт высоких температур АН СССР
Priority date: 1978-12-28
Filing date: 1978-12-28
Publication date: 1980-09-15

Description

Предлагаемое устройство относитс к лазерг1м на самоограниченных переходах (СОП). Оно предназначено дл получени непрерывной генерации .мощностью от нескольких ватт и выше и может быть использовано дл диагностики плазмы, в медицине, в локации , дл зондировани атмосферы, дл Нс1качки лазеров на красител х. Известен целый р д импульсных газовых лазеровна самоограниченных переходах 1. Активными частицами в таких лазерах служат атомы металлов (Си, Мп, РЬ, Са и т.д.), Генераци возникает на переходе между низко расположенными резонгшсным и метаета6ильным уровн ми, чем и объ сн етс их высокие средние мацности генерации ( Вт) и ( 1%) 2. Явл сь в насто щее врем одними из наиболее эффективных газовы лазеров, лазеры на СОП облгшгиотсущественным недостатком: невозможностью получени на них без прин ти специгшьных мер непрерывной генерац что существенно ограничивает область их применени . Наиболее близким из известных к за вленному вл етс лазер на СОП, описанный в работе .3 и выбранный за прототип.: Известный лаёер содержит рабочую камеру, заполненную парами активного металла и тушащим газом дл расселени нижнего лазерного уровн , средства Дл поддержани разр да, рабочей температуры камеры и выво;ца из нее лазерного излучени . Известный Лазер 3 работает на смес х Са + Н и Sp + Hj,. Возбуждение реэонанЬного уровн осуществл етс элекронным ударом, расселение метастабильногр уровн происходит путем реакцйиг МЧ Н (МН) vot + Н(1) где М атом в метастабильном соеТо вйй; ( МН) vpt - молекула с возбужден ными колебательновращательными уровн ми . Максимальна мощность генерации была получена на Са и составл ет величину ОД Вт при ,07%. Диапазон давлени водорода, в котором наблюдалась непрерывна генераци , находитс в пределах от 0,1 до 5 мм рт. ст. при удельной .выходной мощности около 10 Вт/см.The proposed device relates to lazergm on self-limited transitions (SOP). It is intended to obtain continuous generation of power from a few watts and above and can be used to diagnose plasma, in medicine, in location, for sounding the atmosphere, for Hcm pumping dye lasers. A whole range of pulsed gas lasers is known for self-limited transitions 1. The active particles in such lasers are metal atoms (Cu, Mn, Pb, Ca, etc.). Generation occurs at the transition between low-lying resonant and metaphorically levels, and this their high average generation oscillations (W) and (1%) are removed. 2. Currently, one of the most efficient gas lasers, SOP lasers have a significant drawback: it is impossible to obtain on them without taking special measures continuously limits their use. The closest known one to the claimed one is the SOP laser, described in .3 and chosen for the prototype: The well-known laer contains a working chamber filled with active metal vapors and extinguishing gas to disperse the lower laser level; chamber temperature and the removal of laser radiation from it. The famous Laser 3 works on mixtures x Ca + H and Sp + Hj ,. The excitation of the re-ionic level is carried out by electron impact, the resettlement of the metastable level occurs by the reaction of MCH H (MH) vot + H (1) where M is an atom in the metastable state; (MH) vpt is a molecule with excited vibrational – rotational levels. The maximum output power was obtained on Ca and amounts to OD W at, 07%. The hydrogen pressure range in which continuous generation was observed ranged from 0.1 to 5 mm Hg. Art. with a specific output power of about 10 W / cm.

Наличие в разр де большого количества молекул рного водорода приводит к тому, ЧТО основна дол энергии, потребл емого электронами от электрического пол , расходуетс в упругих и особенно в неупругих соударени х с молекулами водорода, чем и объ сн етс , в первую очередь, низкий КПД и маленька мощность генерации известного лазера. Кроме того , больша часть энергии, пёр ёдаваема электронами молекулам водорода , расходуетс на нагрев газа, что приводит к дополнительному заселению метаетабильного уровн , и, как следствие , к ухудшению параметров лазераThe presence in the discharge of a large amount of molecular hydrogen causes THAT the main part of the energy consumed by electrons from the electric field is expended in elastic and especially in inelastic collisions with hydrogen molecules, which explains, first of all, the low efficiency and the small generation power of the famous laser. In addition, most of the energy transferred by electrons to hydrogen molecules is spent on heating the gas, which leads to an additional population of the meta stable level, and, as a result, to the deterioration of laser parameters

Целью насто щего изобретени вл етс повышение удельной мощности генерации и КПД непрерывного л.азера на самоограниченных переходгос.The purpose of the present invention is to increase the specific power generation and the efficiency of a continuous laser on self-limited transitions.

Указанна цель достигаетс тем, что рабоча камера Лазера содержит разр дный и генерирующий - объемы, разделенные прозрачной перегородкой и заполненные инертным газом при давлении от 0,1 до 10 атмосфер, причём генерирующий объём заполнен тушащим газом, состо щим из паров химических элементов, например, щелочных металлов, атомы которых способны , к образованию эксиплексов с атомами инертного газа. This goal is achieved by the fact that the working chamber of the Laser contains a discharge and generating - volumes separated by a transparent partition and filled with an inert gas at a pressure of 0.1 to 10 atmospheres, and the generating volume is filled with extinguishing gas consisting of chemical vapors, for example alkali metals whose atoms are capable of forming exciplexes with inert gas atoms.

На чертеже схематически изображена одна из возможных конструкций .предлагаемого лазера на самоограниченных переходах..The drawing shows schematically one of the possible constructions of the proposed laser on self-limited transitions ..

Лазер содержит прозрачную трубку из тугоплавкого материала 1, ограничивающую разр дный объем 2, кожух из высокотемпературного материала 3, ограничивающий генерирующий объем 4, активный металл 5, электро.ды 6, источник питани 7, нагреватель 8, тепловую изол цию 9, оптический реэонатор , образованный зеркалами 10, оптические окна 11 дл вывода излучени , обозначенного на рисунке стрелочками 12. .The laser contains a transparent tube of refractory material 1, limiting the discharge volume 2, a casing of high-temperature material 3, limiting the generating volume 4, active metal 5, electrodes 6, power supply 7, heater 8, thermal insulation 9, optical resonator, formed by mirrors 10, optical windows 11 for outputting radiation, indicated in the figure by the arrows 12..

Лазер работает следующим образом С помощью средств дл поддержани рабочей температуры (нагреватель 8, теплова изол ци 9), лазер нагреваетс и происходит испарение металла 5. Пары металла заполн ют разр дный объем 2 и генерирующий об.ъем 4. Атомы аКтйвногометалла в разр дном объеме возбуждаютс с помощью разр да ,- гор щего между электродами 6 и поддерживаемого источником питани 7. Резон ансйоё йэ лучёнйеатбйбв активного,металла через прозрачную трубку из тугоплавкого металла 1 попадает в Объем А, где и поглощаетс атомами активного металла. Е результате поглощени излучени накачки активныеатомы возбуждаютс и возникает инверси насеЛенностей резонансного и метастабильного уровн атомов активного металла. ПоддержаниеThe laser works as follows. With the help of means for maintaining the operating temperature (heater 8, thermal insulation 9), the laser heats up and metal evaporates. 5. Metal vapors fill discharge volume 2 and generating volume 4. Atomic atom atoms in the discharge volume are excited by a discharge, burning between electrodes 6 and supported by the power source. 7. Resonant active radiation of the metal, through a transparent tube of refractory metal 1 enters the Volume A, where it is absorbed by the atoms of the active meth. alla By absorbing pumping radiation, the active atoms are excited and the inversion of the populations of the resonant and metastable level of the active metal atoms occurs. Maintenance

стационарной инверсии населенностей обеспечиваетс с .одной стороны непрерывным поглощением излучени накачки , с другой - расселением метастабильного уровн в неупругих соу дарени х со специально введенными в генерирующий объем атомами тушащего газа (например, пары Cs, Na), путем резонансной передачи энергии от атомов активного металла в метастабильном состо нии к- атомам тушащего газа путем возбуждени их резонансных состо ний,stationary inversion of populations is provided from one side by continuous absorption of pumping radiation, on the other hand, by settling the metastable level in inelastic donations with atoms of the quenching gas (for example, Cs, Na) specially introduced into the generating volume in the metastable state to the atoms of the quenching gas by exciting their resonant states,

Дл эффективного вывода излучени накачки разр дный объем заполн етс инертным газом при давлении от 0,1 до 10 атмосфер, ушир ющим контур линии излучени накачки и преобразукадим его из допплеровского в Л9ренцовский , в результате чего значительно уменьшаетс реабсорбци 4 и увеличиваетс интенсивность резонансного излучени из разр дного объема.In order to effectively output the pump radiation, the discharge volume is filled with an inert gas at a pressure of 0.1 to 10 atmospheres, broadening the contour of the pump radiation line and converting it from Doppler to L9rentsky, resulting in a significantly reduced reabsorption of 4 and increasing the intensity of resonant radiation from the discharge This volume.

Дл полного использовани энергии накачки и увеличени тем самьм КПД лазера лини поглощени накачки в генерирующем объеме ушир етс до линии излучени накачки путем заполнени генерирующего объема инертным газом при давлении от 0,1 до 10 атмосфер.In order to fully utilize the pump energy and increase the laser efficiency of the pump absorption line in the generating volume, it is broadened to the pump emission line by filling the generating volume with an inert gas at a pressure of 0.1 to 10 atmospheres.

При давлени х ниже 0,1 атмосферы уширение буферным газом становитс незначительным I по сравнению с доп- плеровским уширением. При давлени х выше 10 атмосфер- возникают серьезные технические трудности при создании разр дного и генерирующего объемов.At pressures below 0.1 atmospheres, the broadening of the buffer gas becomes negligible when compared to Doppler broadening. At pressures above 10 atmospheres, serious technical difficulties arise in creating discharge and generating volumes.

Релаксаци резонансно возбужденны атомов тушащего газа происходит в результате быстрого образовани эксиплексов из резонансно возбужденных атомов тушащего газа и атомов инертного газа с последующим спонтанным радисщионным распадом CsJ ,Relaxation of resonantly excited quenching gas atoms occurs as a result of the rapid formation of exciplexes from resonantly excited quenching gas atoms and inert gas atoms, followed by spontaneous radar decay of CsJ,

Индуцированное излучение 12 выводитс через оптические окна 11 и одно из зеркал резонатора 10.The induced radiation 12 is output through the optical windows 11 and one of the mirrors of the resonator 10.

Расчет непрерывного лазера на паг pax марганца, длина и поперечное сечение : ктивной среды которого равны соответственно 1 м и 3 см , дл случа , когда метастабильный уровень атома марганца рассел етс в соуда-г рени X с натрием, концентраци атомов которого в объеме с активной средой составл ет 10 см а давление буферного газа неона равно атмосфернЬму , значение мощности непрерывной генерации на инфракрасных переходах (,3 мкм) 30 Вт и КПДг1 при удельной мощности около 0,1 Вт/см .The calculation of a cw pax manganese laser, the length and cross section of which are 1 m and 3 cm of the hovering medium, for the case when the metastable level of the manganese atom is settled in a rhenium x-sodium junction, the concentration of atoms in which is the medium is 10 cm and the pressure of the neon buffer gas is equal to the atmospheric pressure; the value of the power of continuous generation at the infrared transitions (, 3 µm) is 30 W and the efficiency at 1 at a specific power of about 0.1 W / cm.

Claims

The specified parameters of the proposed FOP laser significantly exceed the lasing power and the efficiency of an ns-gn famous cw laser at self-sustained transitions. Claims of the invention A self-limited transition laser comprising a working chamber filled with active metal vapors and an extinguishing gas for settling the lower laser level, means for maintaining discharge, operating temperature of the chamber and outputting laser radiation therefrom, in order to increase the efficiency and power density, the working chamber of the laser contains separate and generating volumes, separated by a transparent partition and filled with an inert gas at a pressure of 0.1 to 10 atmospheres, and the volume generating volume is It is not an extinguishing gas consisting of vapors of chemical elements, for example, alkaline metals, whose atoms are capable of forming exciplexes with inert gas atoms. Sources of information taken into account in the examination of 66 1. Petrash GG Pulsed gas discharge lasers. W. F.N., 1971.

2. Isaev A.A., Lemmerman G.Yu. Investigation of a pulsed copper vapor laser at high power NPS1TYAKh. Quantum electronics. 4, No. 1, 1977.

3. Klimkin V.M., Monastyrev S.S., Prokopyev V.E., Relaxation of the long-lived states of metal atoms in a gas-discharge plasma is selective. Stationary generation at the P transitions of calcium and strontium. Letters to JETP, 26, No. 4, 1974.

4.Eletsky AV; Palkina L.A., Smirnov B.M. Transport phenomena in a weakly ionized plasma. Atomizdat, 1975, p. 252-258.

5.J.PascaKe and Vandeptangue Exated moEecuBarterues of the -nare gas at ompairs thf journaE of chemical Physics, - vof 60, I 6, 1974.