Патент на изобретение №2354019

(54) АКТИВНАЯ СРЕДА ДЛЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО СО-ЛАЗЕРА ИЛИ УСИЛИТЕЛЯ И СПОСОБ ЕЕ НАКАЧКИ

(57) Реферат:

Активная среда для электроразрядного СО лазера или усилителя на основе газовых смесей содержит рабочий газ СО, буферные газы Не или Ar, а также добавленные двухатомные газы. Молекулы добавленных двухатомных газов имеют энергию колебательного перехода 01 основного электронного состояния меньше 1800 см^-1, при этом их количество составляет от 0.2 до 80 по отношению к количеству молекул СО. Способ накачки активной среды с газовой смесью импульсным электрическим разрядом характеризуется 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. Активная среда для электроразрядного СО лазера или усилителя на основе газовых смесей охлаждена до криогенных температур (от 80 до 150 К) и помещена в СО лазер или усилитель, действующий в отпаянном режиме. Технический результат – 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. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 01 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.

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 F_НЧ, лежащей в диапазоне от 0.1 до 25 кГц.

Согласно изобретению структура огибающей импульса ВЧ-возбуждения такова, что сначала следует предымпульс, который обеспечивает поджиг разряда в рабочей смеси. Амплитуда предымпульса Р_имп по мощности находится в диапазоне от Р_подж, мощности, при которой зажигается разряд, до максимальной пиковой мощности ВЧ-генератора Р_max. 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/F_НЧ – период модуляции, t – длительность модулирующего импульса, так и мгновенной амплитудой ВЧ-мощности Р, составляющей от 0.1 до 1.0 от значения Р_max. 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 Р_подж до Р_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.

На Фиг.1 представлена динамика коэффициента усиления G в импульсном СО усилителе на переходе 109 Р(15) в смеси СО:Не:О₂=1:4Х для четырех значений Х.

На Фиг.2 представлена зависимость максимума коэффициента усиления G_max от колебательного квантового числа V в смеси СО:Не:О₂=1:4:Х для шести значений X.

На Фиг.3 представлены энергии колебательных переходов молекул кислорода, азота и оксида углерода.

На Фиг.4 представлена зависимость КПД электроионизационого СО лазера от среднего удельного энерговклада Q_in для смесей с различной долей Х молекул кислорода по отношению к молекулам СО в газовой смеси СО:Не:О₂=1:4:Х.

На Фиг.5 представлена зависимость эффективности (КПД) СО лазера от величины локального удельного энерговклада Q_in для двух газовых смесей СО:О₂:Ar=1:10:10 и CO:N₂:Ar=1:10:10.

На Фиг.6 представлена структура огибающей импульса ВЧ-возбуждения СО лазера.

На Фиг.7 представлена схема компактного щелевого СО лазера с ВЧ-возбуждением.

Временная динамика коэффициента усиления на колебательно-вращательных переходах VV-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, W8) колебательные уровни молекулы СО. Заселение более высоких уровней происходит в процессе колебательно-колебательного обмена между молекулами СО

Добавление в газовую смесь кислорода приводит к существенному изменению динамики коэффициента усиления импульсного электроразрядного СО лазера. Для высоких переходов (от полосы 1918 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 76 до 1413) картина меняется на прямо противоположную: при добавлении кислорода коэффициент усиления увеличивается.

Динамика коэффициента усиления для низких переходов представлена на примере перехода 109 Р(15) при четырех значениях X, где X – доля кислорода в смеси CO:He:О₂=1:4:X (см. Фиг.1). На переходе 109 Р(15) при увеличении Х максимальное значение коэффициента усиления G_max возрастает. Причем при X=2.0 значение G_max в восемь раз больше, чем для смеси без кислорода (Х=0).

Для колебательно-вращательных переходов в диапазоне полос от 1514 до 1817 при небольших добавках молекул О₂ (А=0.02-0.07) значение G_max возрастает, затем при Х>0.01 – уменьшается, а при значениях, больших X=1.0, наблюдается, преимущественно, поглощение.

Более наглядно влияние добавок кислорода на максимальное значение коэффициента усиления, реализуемое на различных переходах, представлена на Фиг.2, где приведена зависимость G_max 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 G_max резко уменьшается на высоких переходах. А на низких переходах увеличение доли кислорода в смеси приводит к росту максимального значения коэффициента усиления G_max. При X=2.0 G_max достигает величины 3.8 м^-1 на переходе 109 Р(15).

Наблюдаемое изменение динамики коэффициента усиления при добавлении кислорода связано с процессом межмолекулярного колебательного обмена между молекулами СО и О₂

где E_VJ – разность энергий квантов колебательно-вращательных переходов молекул, участвующих в обмене.

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 01, равной 1556 см^-1. Увеличение G_max (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.

Кроме смесей СО:Не:О₂ влияние добавок кислорода на динамику коэффициента усиления наблюдается и в смесях CO:N₂:О₂=1:9:X. При увеличении X максимум коэффициента усиления G_max на переходе 109 Р (15) также возрастает. Причем при X=2.0 значение G_max в два раза больше, чем для смеси без кислорода (Х=0).

На Фиг.3. представлены энергии колебательных переходов молекул кислорода, азота и оксида углерода, рассчитанные с учетом значений энергии колебательного кванта 01 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 процесса

.

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 (V20) 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.

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 Q_in 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. Q_in, 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, Q_in=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%.

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 Q_in 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.

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 Q_in=100 Дж л^-1 Амага^-1. Уменьшение КПД СО лазера на смеси СО:О₂:Ar при значениях Q_in>170 Дж л^-1 Амага^-1 может быть связано как с нагревом газовой смеси, так и с возбуждением электронных состояний кислорода.

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.

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 01 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.

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.).

Модуляция мощности ВЧ-возбуждения (несущая частота F находится в диапазоне от 10 до 150 МГц) низкой частотой F_НЧ, 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 Р_имп по мощности находится в диапазоне от Р_подж мощности, при которой зажигается разряд, до максимальной пиковой мощности ВЧ-генератора Р_max. 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/F_НЧ – период модуляции, так и мгновенной амплитудой ВЧ-мощности Р, составляющей от 0.1 до 1.0 от значения

Р_max. 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 Р_подж до Р_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.

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.

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.

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.

Предлагаемая активная среда для электроразрядного СО лазера и способ ее накачки были реализованы в двух вариантах.

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:N₂:О₂=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.

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.

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.

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).

Для возбуждения разряда использовался высокочастотный генератор с максимальной выходной мощностью в непрерывном режиме Р_max=500 Вт с несущей частотой F=81.36 МГц. Генератор мог работать в импульсно-периодическом режиме с низкочастотной (F_НЧ=0.1-25 кГц) амплитудной модуляцией выходной ВЧ-мощности. Структура импульса, подаваемого генератором на электроды лазера, представлена на фиг.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:N₂:О₂: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.

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.

Список литературы

1. Bhaumik M.L., Diem D.D., Mann M.M., Room temperature CO laser, US Patent 3761838, 25.09.1973.

2. Macken J., Discharge driven precious metal catalyst with application to carbon monoxide lasers, US Patent 4897848, 30.01.1990.

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.

8, с.1573, 1986.

6. Басиев А.Г., Кузьмин В.Н., Родин А.В. Газоразрядный СО лазер. Патент РФ 2153744, 23.07.1998.

5, с.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 СО₂8, с.1519, 1983.

9. Peters P.J.M., Witteman W.J.,Zuidema R.J., Carbon monoxide laser, PCT Patent WO 81/02954, 15.10.1981.

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.

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.

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.

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

Формула изобретения

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 01 основного электронного состояния меньше 1800 см^-1, при этом их количество составляет от 0,2 до 80 по отношению к количеству молекул СО.

2. Активная среда по п.1, отличающаяся тем, что в качестве добавки использован кислород.

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.

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.

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 F_НЧ, лежащей в диапазоне от 0,1 до 25 кГц.

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/F_НЧ, для поджига разряда в рабочей смеси, амплитуда которого по мощности находится в диапазоне от Р_подж – мощности, при которой зажигается разряд, до максимальной пиковой мощности ВЧ генератора Р_max, а за ним – основной импульс накачки длительностью 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 Р_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.

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.

РИСУНКИ