Азотен лазер
Притежатели на патент RU 2313872:
Изобретението се отнася до квантовата електроника, по-специално до конструкции на импулсни газови азотни лазери, изпомпвани от надлъжен импулсен разряд. Азотният лазер включва активен елемент, съдържащ диелектрични пластини, в които съответно са направени проходни отвори; катод и анод, резонатор, оформен от огледала, и устройство за генериране на импулси на помпата с високо напрежение. Разположението на плочите, отворите и жлеба осигурява образуването на U-образен разряден канал, което значително намалява индуктивността на разрядната верига. Техническият резултат е повишаване на ефективността на изпомпване на газови лазери с надлъжен разряд и увеличаване на енергийните характеристики на импулсното лазерно лъчение. 1 wp f-ly, 2 кал.
Изобретението се отнася до квантовата електроника, по-специално до конструкции на импулсни газови азотни лазери, изпомпвани от надлъжен импулсен разряд.
Азотните лазери са лазери, работещи на самоограничени преходи на азотни молекули, при които продължителността и честотата на генерираните лазерни импулси са ограничени от съотношението на скоростите на възбуждане и отпускане на работните нива. За възбуждане на горните лазерни нива се използва импулсно изпомпване и продължителността на възбуждащия импулс трябва да бъде по-кратка от времето на излъчване на горното лазерно ниво, което има стойност τ˜40 наносекунди. За да се получи висока пикова мощност, популационната инверсия при преходите на азотната молекула трябва да се създаде за време t, което е много по-кратко от радиационния живот на горното лазерно ниво [1].
В случай на метод на газоразрядно изпомпване, времето на изпомпване t зависи от плътността и скоростта на нарастване на токовия импулс на етапа на разрушаване на изпускателната тръба. Това време зависи от геометричните размери на разрядния пропуск, налягането на азота в нагнетателната тръба и параметрите на електрическата верига. В този случай времето за изпомпване и параметрите на радиационните импулси са ограничени главно от такъв електрически параметър като индуктивността на разрядната верига [1-5].
Един от видовете газоразрядни лазери, базирани на молекулярен азот, е лазер с надлъжно изпомпване, когато надлъжният електрически разряд се възбужда в разрядната междина.
Известен азотен лазер, който се изпомпва с помощта на генератор Blumlein, базиран на двойна коаксиална линия [4]. Известен е и азотен лазер, който се състои от активен елемент, резонатор и устройство за генериране на импулси за възбуждане на високо напрежение. Активният елемент включва коаксиална тръба с разтоварен канал и студени електроди - катод и анод; резонаторът е оформен от глухо диелектрично огледало и непокрита кварцова плоча [5].
Често срещан недостатък на тези устройства е голямата стойност на индуктивността на разширената разрядна верига, която не позволява образуването на импулси на помпата с кратка продължителност и висок ток и съответно не позволява получаване на високи стойности на лазерното лъчение енергия в импулс и импулсни мощности.
Като прототип на предложеното техническо решение е избран молекулярен газов лазер с електрическо възбуждане на активна газообразна среда, който може да се използва като азот [6]. Лазерът се състои от два цилиндрични кондензатора последователно, активен елемент, разположен в проходен отвор, направен в един от кондензаторите, резонатор и устройство за генериране на импулси с високо напрежение на помпата. Изпускателният канал е оформен от цилиндрична диелектрична тръба с електроди в краищата. Когато кондензаторите са разредени, надлъжният електрически разряд се възбужда в разрядния канал на активния елемент.
Дизайнът на известния молекулярен азотен лазер осигурява леко намаляване на индуктивността на разрядната верига, но е недостатъчен за получаване на мощно лазерно лъчение.
Както е известно, максималната стойност на тока на помпата в газоразрядната междина в импулсен режим обикновено се определя от съотношението [2, 3]:
където Upr е напрежението на пробив на разрядния канал, Rp е омичното съпротивление на разрядния канал, ρ е характерният импеданс на разрядната верига.
Тъй като Rp на разрядния канал след неговото разрушаване става много малък, основният фактор, определящ стойността на Imax, е характеристичният импеданс, пропорционален на индуктивността L [2, 3, 7]:
където C е капацитетът на кондензатора, който се разрежда в разрядния канал.
Продължителността на тока на помпата τ за случая, когато ρ >> Rp също е пропорционална на индуктивността на електрическата верига [2, 3, 7]:
По този начин от (1), (2) и (3) следва, че основните параметри на изпомпването на азотен лазер - токът и неговата продължителност - за фиксирана стойност на капацитета за съхранение C се определят от индуктивността на разряда верига L.
Разрядната верига в азотния лазер, взета за прототип, е оформена от газоразрядни канали и метални пластини на цилиндричен кондензатор, в чиято кухина е поставен. Индуктивността на такава коаксиална разрядна верига L се определя от израза [7]:
където μо е магнитната константа; q е радиусът на разрядния канал;
p - радиус на външния проводник.
За да се намали индуктивността L, стойността на q трябва да се намали, но този подход не е достатъчно ефективен, тъй като намаляването на L поради намаляване на q е ограничено от дебелината на кондензаторната диелектрична стена, при която се получава нейното разрушаване. Изчисленията показват, че индуктивността на разрядната верига в прототипа е стотици наногени.