Способ получения когерентного излучения в лазерах на парах веществ

СОЮЗ СОВЕТСКИХМЦВВПЮеПМЖРЕСПУБЛИК ОЮ (11) с 5 р Н 01 Я 3/22. ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТН( 71) Институт сильноточной электронки Сибирского отделения АН СССР(54)(57) СПОСОБ ПОЛУКНИЯ КО ГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРАХ НА ПА ЩЕСТВ, заключающийся в созда лазерной кювете паров рабоче ва .и накачке верхнего лазерн ня паров электронным пучком, ч а ю щ и й с я тем, что, с увеличения энергии лазерного ния, лазерную кювету предвар равномерно заполняют рабочим вом в виде мелкодисперсной в а создание паров рабочего ве производят путем облучения в электронным пучком. ЕРЕНТНОАХ ВЕии во вещестго уровотли.ельюизлучетельновеществеси,ествавеси,использовано при создании мощных лазеров на парах веществ и в областях .техники, где требуется получать пары.высокого давления из тугоплавких металлов и неметвллов;Известны способ получеНия когерентного излучения на парах веществ,Одной иэ отличительных особенностей 10этих способов является метод полученияпаров в рабочем объеме лазера, Наибольшее, распространение получили способы, в которых создание паров осуществляется путем нагрева и испарения вещества от специального термо-,элемента непрерывного действия 1либо путем испарения мишени лазернымлучом 2. Способ получения когерентного из" 20лучения, при котором создание паровосуществляется путем нагрева рабочего вещества непосредственно е лазерной трубке И , позволяет получатьгенерацию на парах различных элементов иих соединений,Рабочее вещество помещают в лазерную кювету, где производится его нагревание с помощью печи специальнойконструкции. Испаряясь, раЬочее ее"щество равномерно заполняет лазернуюкювету, причем концентрация рабочеговещества в объеме определяется даеле"нием насыщающих паров, задаваемымтемпературой кюветы. Возбуждение исоздание инверсии в среде, производится обычно продольным электрическимразрядом, для улучшения характеристик которого в кювету вводится буферный газ.Недостатком этого способа являетсянизкая удельная энергия лазерного.излучения, поскольку концентрацияактивных частиц вследствие низкогодавления паров вещества в объеме лазе.ра мала. Это связано стем, что приме 45няемые в настоящее время конструктивные материалы, иэ которых выполняет"ся кюветы, позволяют поддерживатьв камере температуры, не превышающие2000 К. При таких температурах даеление насыщающих паров большинства ве-подесте не превышает долей торра.Наиболее близким по технической.сущности к изобретению является споссб получения когерентного излученияв лазерах на парах веществ, заключающийся в создании в лазерной кюветепаров рабочего вещества и накачке верхнего лазерного уровня паров электронным пучком 121 . При этом рабочее вещество сосредоточено в виде мишени, при испарении которой с помощью лазерного излучения, вводимого через специальное окно, пары рабочего .вещества заполняют. рабочий объем. После заполнения кюветы рабочее вещество .облучается электронным пучком, который осуществляет накачку.Недостатком способа является малая энергия лазерного излучения, поскольку малы концентрация пара и рабочий объем лазера. При испарении мишени лазерным лучом и изотропном разлете пара его давление падает обратно пропорционально кубу расстояния до точки наблюдения, Время выравнивания давления 1 Р по всему объему должно быть, по крайней мере, е 5- 10 раз больше, чем время т, необходимое для переноса паров от мишени до самой удаленной точки рабочего объема; 1 сли при" нять, что средняя скорость разлета пара Ч = 5 - 10) 10,"см, то для камеры с поперечными размерами гп = =10 см, с =Гд/7 =10 см/10 см/с =10 с и время выравнивания давления по всему объему10 Э и оказываетсяРсравнимым со временем конденсации паров уже при концентрации частиц П10 ф см . Эаметим, что при больших концентрациях паров П =Щ 10 см ) время конценсации резко уменьшается и становится меньше, чем Р . Эти обстоятельства ставят ограничения, ео-первых, на величину объема лазера обычно поперечные размеры активной области при этом способе получения когерентного излучения на парах не превышают нескольких миллиметров), а ео"вторых, не позволяют получать е реальном объеме лазера пары с концентрацией И ъ 10 о см .Кроме того, для взрыеа вещества мишени е состав установки лазера на парах должен быть включен дополнительно достаточно мощный сложный лазер. Целью изобретения является увеличение удельной и полной энергии излучения лазеров на парах веществ.Эта цель достигается тем, что по способу получения когерентного излучения е лазерах на дарах веществ, заключающемуся в создании е лазерной кювете паров рабочего вещества и накачке верхнего лазерного уровня паров электронным пучком, лазерную кювету3 8823 предварительно равномерно заполняют рабочим веществом в виде мелкодисперс-. ной взвеси, а создание паров рабочего вещества производят путем облучения взвеси электронным пучком. 5Способ обеспечивает такие режимы ввода энергии в среду, при которых происходит взрыв мелкодисперсных частиц. Для обеспечения оптимального режима работы лазера энергию элек О тронов и плотность тока пучка необходимо выбрать таким ооразом, чтобы обеспечить скорости ввода энергии, при которых эа времена, меньшие, чем характерное время заполнение рабочего 15 объема парок С= 6/Ч, где- среднее расстояние между частицами вкладывается энергия, необходимая для гревращения данного количества вещества в парообразное состояние. 20При таком способе получения паров их давление в рабочем объеме, лазера задается не температурой кюветы, а количеством вещества, взорванного в объеме. Образующиеся в результате 2 взрыва частиц, равномерно распределенных в объеме, пары равномерно заполня ют рабочий,объем за время порядкаВозбуждение паров осуществляютчэлектронным пучком или электрическим разрядом. Снятие инверсии, т,е. получение лазерной генерации, производят с помощью резонатора, состоящего из глухого и полупрозрачного зеркал, через которое выводится излучение,Преимущества предложенного способа35 связаны с тем, что вместо одной мише" ни имеется большое количество мишеней частиц вещества, равномерно распределенных в рабочем объеме лазера. Расстояния между частицами 1 всегда можно сделать много меньше, цем поперечные размеры камеры и, следовательно, рабочий объем, который можно заполнить паром, может быть как угодно большой (ее поперечные размеры ограничены длиной пробега электронов, а ширина и длина - размерами катода ускорителя. В качестве источника энергии для взрыва вещества использует ся объемный нагреватель - электронный 68 4пучок. Это дает возможность осуществить режим одновременного взрыва час" тиц во всем объеме. Время. установления давления паров в камере С в способе порядка времени переноса паров на расстояние между частицами. Это дает воэможность повысить. однородность и концентрацию пара, а следовательно, иметь большую удельную и полную энергию излучения. В способе для взрыва вещества используется тот же источник электронов который возбуждает среду, и не требуется мощный лазер, предназначенный для испарения вещества мишени,. как в прототипе.Рассмотрим пример получения когерентного излучения на парах меди по предложенному способу, в .котором соз- дание паров осуществляется с ускорителем с энергией электронов " 100 кэВ, сечением электронного пуц" ка 5 = (10 0,5) см, полным током.10 10 А и длительностью импульса тока 1; 300 нс. Энергия пучка определяется выражением Е = - Е ф (гдеоВ - заряд электрона) и для рассматриваемого случая равна л 450 Дж. Рассцеты и эксперимент показывают, что вв данном случае энергия электронногопучка достаточна для взрыва О,1 г меди, Взрыв такого количества меди в объеме 110 0,5 1 ) смЗ приведет кувеличению давления до 15 атм, что соответствует концентрации паров4 10 осм . При достаточном превышении порога генерации удельная энергий .излучения определяется скоростью накачки на верхний рабочий уровень.При возбуждении электронами с основ"ного состояния скорость накачки про"порциональна концентрации паров. Врассматриваемом случае концентрацияпаров порядка 10 О см , что примерно в 10 раз выше, чем в лазерах, вкоторых пары получают путем подогреварабочего вещества, и на порядок выше,чем в способе с использованием лазер, ного излучения для получения паров . рабочего вещества.