Лазер с электронным пучком

(19) 51) 8 3/09 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(21) 2807388/25 ный между источником электронов и ла- (22) 09, 68,79. зерной кюветой, о т л и ч а ю ц и й- . (46) 30,02.93. Бюл. Р 4 . с я тем, что, с целью расширения (71) Институт оптики атмосферы Томс- диапазона режимов накачки рабочей кого филиала СО АН СССР среды лазера, упрощения устройства и (72) Г.В.Колбычев и П,А.Бохан улучшения его компактности, элемент (5 б) Патент СНА Р 3972009, Формирования электронного пучка обкл. 331-94.51 197 б. разован анодом источника электронов,Патент США Р 3789321, кл, 331-94.5, выполненным со сквозными отверстия. ми, равномерно расположенными по егоБычков Ю.И. и др. Письма в ЖТФ, поверхности, и имеюЩим геометричес, т. 4, вып. 9, с. 515-518, кую прозрачность не менее 504, при- (54)(57) ЛАЗЕР С ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ,; чем минимальный размер отверстия не содержаций заполненные рабочим газом превышает 0,4 расстояния катод-анод, лазерную кювету с вспомогательными которое составляет не более 0,01 м, электродами и источник электронов са давление рабочего газа в источникатодом и анодом, элемент Формирова- ке электронов равно давлению рабочения электронного пучка, расположен- го газа в лазерной кювете. ди фИзобретение относится к обласТи квантовой электроники и может быть использовано в разработках газовых лазеров, в том числе и лазеров на парах металлов, работающих как в режиме генерации, так и в режиме усиления когерентного излучения,Известны лазерные устройства, в которых накачка активной газообразной среды производится электрическим разрядом через нее, который, в свою очередь, осуществляется с помощью электронного пучка. Лазерные устройства с электронным пучком содержат устройство для формирования электронного пучка - электронную пушку, сое"ненную с наполненной активным газом лазерной кюветой, причем в последнюю помещены электроды для осуществления разряда. Электронная пушка содержит полый корпус, в которыйпомещены катод, анод, устройство длввода электронного пучка в лазернуюкювету в область между размещеннымив ней электродами. Между катодом ианодом выполнен разрядный промежутозаполненный газом давлением не выше20 - 50. Па. Устройство для вводаэлектронного пучка в лазерную кюветвыполнено в виде металлической фольги или полимерной пленки толщиной10-100 мкм, Металлическая Фольга иполимерные пленки, имеющие достаточную механическую прочность для обесчто удельный энерговклад от электрон ного пучка в газ уменьшается с ростом энергии электронов в пучке, а следовательно, уменьшается и влияниепуцка на разряд, осуществляющий накачку газового лазера. Таким образом, 20эффективность использования электронного пучка, энергия электронов в котором превышает 100 кэВ, падает суменьшением давления газа в лазернойкювете. При давлении активного газаниже 10 кПа описанная система накачки лазера практически не применяется. Эффективная накачка разрядом,осуществляемым с помощью электронного пучка, в случае, когда давлениеактивного газа не превышает 30 кПа,25 30 может производиться лишь при условии,что энергия электронов в пуцке составляет 1 - 30 кэВ. Наиболее близким к предложенному является лазер с электронным пучком. Известное устройство содержит лазер 35 ную кювету, заполненную рабочим газомпри давлении около 10 кПа, в которуюпомещеныдва вспомогательных электро п да. К лазерной кювете подсвединена электронная пушка, содержащая полый корпус, в котором размещены катод, анод, газонаполненный разрядный промежуток между ними, давление газа в 45 котором1 Па, элемент формирования электронного пучка, Элемент форми- рования электронного пучка содержит три электромагнитные линзы, газодинамицеские окна и систему дифференции алькой откачки газа, причем оси линз параллельны между собой, а каждая линза соединена с одним из газодина" мицеских окон, Газодинамицеские окна представляют собой две параллельные разнесенные на некоторое расстояние пластины, имеющие по три соосных сквозных отверстия диаметром 0,9 мм. Элемент формирования электронного печения требуемого перепада давлениймежду газом в лазерной кювете и газом в разрядном промежутке электронной пушки, непрозрачны для электронов с кинематицеской энергией менее100 кэВ и пригодны в качестве выпускного устройства лишь для электроновс энергией выше 100 кэВ. Но и в этомслучае прохождение электронов через 1 Офольгу (пленку) сопровождается их некоторым торможением, цто приводит кразогреву фольги (пленки) и ее разрушению. С другой стороны, известно,пучка расположен между источником электронов (электронной пушкой) и лазерной кюветой. Между элементом формирования электронного пучка и ближайшим к нему вспомогательным электродои имеется область, заполненная рабочим газом при давлении около 10 кПа.Известное лазерное устройство с электронным пучком обладает следующими недостаткамиЭлектронный пучок формируется на основе высоковольтного тлеющего разряда при давлении газа в разрядном промежутке1 Па. Вследствие этого ток формируемого электронного пучка составляет лишь десятки миллиампер (бО МА),:и известное устройство может работать только в режиме предионизации активного газа электронным пучком. Устройство неспособно работать в режимах управления разрядом накачки и накачки непосредственно электронным пучком, для которых требуются электронные луцки с плотностью тока не менее 1 А/см 2 и интегральным током пучка100 А и выше,При осуществлении импульсного режима работы источника электронов в известном лазерном устройстве возникают серьезные трудности, связанные с неодновременностью зажигания разрядов, генерирующих электронный пучок перед каждым газодинамическим окном, Эта неодновременность столь велика, цто для ее преодоления обычно применяют принудительную инициа- . цию разрядов. Применение принудительной инициации ведет к дальнейшему ус" ложнению устройства.Известное устройство работоспособно лишь при наличии интенсивной откачки газа из системы газодинамических окон и разрядного промежутка источника электронов, Это влечет как большие габариты и сложность известного устройства, так и большой расход газа. В результате этого известное устройство без дополнительной системы возврата газа в лазерную кювету неприменимо для работы с дорогими, химически агрессивными лазерными средами.Известное лазерное устройство неприменимо для работы с парами метал лов в качестве лазерных сред, поскольку пары металлов при интенсивной откачке газа будут уходить из лазер849948 10 25 30 40 45 50 ной кюветы и осаждаться на элементахгазодинамических окон. В результате этого паров металла будет недостаточно для получения лазерного излучения, а отверстия в газодинамических окнах быстро забьются осаждающимся на них металлом и выйдут из строя.Ввиду сложности элемента формирования электронного пучка, необходимости интенсивной откачки газа увеличение количества газодинамических окон связано со значительными трудностями, Однако ограничение числа газодинамических отверстий приводит к ограничению объема газа, накачиваемого в лазерной кювете, а следовательно, к ограничению энергетических параметров лазерного излучения, Таким образом известное устройство ограничено по энергии и мощности генерируемого им лазерного излучения ввиду малости. рабочего объема его лазерной кюветы.. Целью изобретения является расширение диапазона режимов накачки рабочей среды лазера с помощью электронного пучка, что обеспечивает повышение энергетических характеристик ла". вера, а также улучшение компактности и упрощение устройства, что делает возможным его работу при температурах, типичных для лазеров на парах металлов.1Поставленная цель достигается тем, что в лазере с электронным пучком, содержащем заполненные рабочим газом лазерную кювету с вспомогательными электродами и источник электронов с катодом и анодом, элемент формирования электронного пучка, расположенный между источником электронов и лазерной кюветой, элемент формирования электронного пучка образован анодом источника электронов, выполненным со сквозными отверстиями, равномерно расположенными по его поверхности, и имеющим геометрическую прозрачность не менее 503, причем минимальиый размер отверстия в аноде не превышает 0,4 расстояния катод-анод, которое составляет не более 0,01 м, а давление рабочего газа в источнике электронов равно давлению рабочего газа в лазерной кювете.Выполнение элемента формирования электронного пучка в виде анода источника электронов упрощает лазер,а выравнивание давления рабочегогаза в лазерной кювете и в разрядномпромежутке источника электронов позволяет исключить откачку газа из источника электронов и сделать лазерболее компактным, Выполнение анода с .равномерно расположенными сквознымиотверстиями позволяет, во-первых,ввести .в лазерную кювету однородный ленточный электронный пучок любогонаперед заданного сечения. В этомслучае нет необходимости в выполне 1нии буферной области между элементомформирования электронного пучка иближайшим к нему дополнительным электродом, которая в известном устройстве необходима для трансформации трехштыревых пучков в ленточный, Во-вто 20 рых, осуществить равномерную ультрафиолетовую (УФ) подсветку катода от источника Уф-излучения, расположенного в лазерной кювете. При рабочих для лазера давлениях газа источником Уфподсветки служит газ, заполняющий лазерную кювету, возбуждаемый электронным пучком и спонтанно высвечивающийся в УФ-области спектра. Равномерная Уф"подсветка катода инициирует одновременное и однородное протекание разряда в промежутке катод-анод со всей площади катода, т,е. способствует генерации ленточного электронного пучка,Как известно, электронный пучокгенерируют в высоковольтном разряде.При рабочих давлениях газа в лазерной кювете такой разряд можно реализовать лишь кратковременно: за времена10-10 с разряд самопроизвольно переходит в, низковольтную стадию, и генерация электронного пучкапрекращается, Наиболее быстро срыввысоковольтной стадии разряда происходит гри неоднородном распределвнииэлектрического поля на катоде. Дляобеспечения однородности распределения поля катод и анод размещают параллельно друг другу, однако отверстия в аноде вносят искажения в поле,Опыт показал, что когда минимальныйразмер отверстий в аноде не превышает 0,4 расстояния катод-анод, этиискажения роли не играют,55Выполнение анода с геометрическойпрозрачностью не менее 90 обеспечивает достаточный для накачки рабочего газа лазера во всех режимах элект7 84ронный пучок и УФ-подсветку катодаописанным выше способом,Экспериментальные исследования показали, что эффективность генерацииэлектронного пучка в разряде в газедавлением свыше 100 Па при прочихравных условиях падает с увеличениемрасстояния катод-анод. Оказалось,что при оптимальнь 1 х условиях максимальное значение средней энергии-7электронов в пучке составляет : 10х й, эВ, где й - расстояние между катодом и анодом, м. Выполнение рассгояния между катодом и анодом в ис"точнике электронов не более 0,01 мпозволяет формировать электронный пучок с энергией электронов ниже100 кэВ с эффективностью и током пуч"ка, достаточными для работы лазера,На Фиг.= 1 и 2 показаны сеченияодного из вариантов предложенного лазера с электронным пучком. В заполненную рабочим газом лазерную кювету1 помещен вспомогательный электрод2, С лазерной кюветой соединен источник электронов, содержащий анод 3,катод 4 и образуемый ими газоразрядный промежуток. Элемент формированияэлектронного пучка образован анодом3 и расположен между источником электронов и лазерной кюветой 2. Катод 4и анод 3 параллельны между собой ирасположены на расстоянии друг отдруга 5 10"фм (меньшем 0,0.1 м). Анод3 изготовлен в виде плоской решетки-4с шириной отверстия равной 1,210 м(0,24 расстояния катод 4 - анод 3),причем геометрическая прозрачностьрешетки составляет 753. Рабочий газв лазерной кювете 2 является одновременно и рабочим газом в разрядномпромежутке источника электронов идавления их равны. Иежду анодом 3 икатодом 4 расположена диафрагма изизолятора 5.Устроиство работает следующим об разом.При подаче импульса напряжения на катод 4 и анод 3 в газонаполненном разрядном промежутке между ними возникает электрический разряд, генерирующий электронный пучок. Электроны пучка проходят через решетку анода 3 и производят возбуждение и ионизацию рабочего газа между анодом 3 и вспомогательным электродом 2. Часть спонтанного излучения этого газа в УФ-области спектра через отверстия 9948 8в аноде 3 попадает на катод 4 и стабилизирует требуемый для полученияэлектронного пучка разряд в промежутке между катодом и анодом, Одновременно или с некоторой задержкойпо отношению к упомянутому импульсунапряжения на анод 3 и электрод 2подают импульс напряжения, и в об ласти между ними происходит однород"ный по объему разряд, поддерживаемый,или управляемый, или инициированныйвышеописанным электронным пучком,Этот разряд и производит накачку ра"бочего газа в лазерной кювете 1.Поскольку в описанном лазерном.устройстве источник электронов способен генерировать ленточный электронный пучок с плотностью тока в де сятки ампер на 1 см и интегральнымтоком пучка вплоть до килоампер, тоустройство может работать в следующих режимах накачки рабочего газалазера:25 в режиме предионизации самостоятельного разряда накачки;в режиме поддержания несамостоя.тельного разряда накачки,в режиме управления самостоятельЗ 0 ным разрядом накачки;в режиме накачки непосредственноэлектронным пучком.При всем этом предложенныч лазер с электронным пучком может работать как врежиме свободной генерации, так и врежиме усиления лазерного излучения.В предложенном устройстве источник электронов и элемент.формирования электронного пучка, а также уст ройство УФ - подсветки катода размещены внутри лазерной кюветы, и форми-,рование электронного пучка происходит непосредственно в рабочем газе,заполняющем кювету, и нет необходи мости откачки газа из ускорительнойобласти источника электронов. Поэтомуустройство отличают компактность ималые габариты, Вследствие слабогораспыления катода в разряде в газе 50 давлением свыше 100 Па устройствоимеет повышенный ресурс работы. Ввиде простоты конструкции устройствоработоспособно при высоких температурах, т.е. применимо для работы с па рами металлов в качестве рабочих средлазера, Воэможность генерации элект-ронного пучка с частотой следованиявплоть до 10 кГц позволяет получатьлазерное излучение с высокой средней, Редактор Т.Ыарганова Техред М.Иоргентал Корректор И.Самборская ЗаказВНИИП с Производственно-издательский комбинат "Патент", г., Ужгород, ул, Гагарина, 101 мощностью. При этом генерация электронного пучка происходит одновременно во всей ускорительной области, что/ Тираж нного комитета по 3035, Москва, Мисключает трудности, связанные с одновременностью зажигания разряда,генерирующего электронный пучок,Подписноеобретениям и открытиям приРаушская наб., д, 4/5