Газорозрядний лазерний випромінювач

Винахід відноситься до області квантової електроніки, зокрема до лазерних автоматизованих діагностичних комплексів і може бути використаний для дослідження параметрів плазми, а також при розробках малогабаритних газових лазерів з накачуванням поперечним розрядом і ультрафіолетовою передіонізацією. Відомий газорозрядний лазерний випромінювач, в якому досліджувалось активне середовище XeCl* лазера з об'ємом плазми 65 ´ 2 ´ 1см 3. Передіонізація проводилась УФвипромінюванням коронного розряду. Випромінювач характеризується великими габаритами, а максимальна апертура розряду не перевищує S = 1 ´ 2см 2 (Пеєт В.Э., Трещалов А.Б. Исследование динамики образования возбужденных атомов, ионов, эксимерных молекул в плазме электророзрядного XeCl* лазера // Квантовая электроника. - 1985. - Т.12. №2. - С.2442 - 2450). Відомий газорозрядний лазерний випромінювач KrCl*-лазера з об'ємом плазми 45 ´ 2 ´ 1см 3 також не забезпечує створення однорідної плазми з апертурою S ³ 2см 2. Габарити даного випромінювача по довжині перевищують 60см (Nakamura K. and Horiguchi S. Temporal behavior of excited Kr in a KrCl* excimer laser". J. Phys. D. Appl. Phys., 1988, 21, Rp.205 207). Всі вищеперераховані лазерні випромінювачі не забезпечують зондування плазми безпосередньо при роботі лазерів або підсилювачів, а також не дають однорідного розряду, що особливо важливо при дослідженні активних середовищ лазерів з малим ресурсом роботи (N £ 50 - 100 імпульсів). Завданням винаходу є розробка газорозрядного лазерного випромінювача високого тиску з апертурою розряду 52 ´ 2см 2 і малою довжиною активного середовища для лазерного діагностичного комплексу і який може бути використаний в оптоелектроніці, медицині, біології як джерело когерентного УФ випромінювання. Поставлене завдання досягається таким чином, що газорозрядний лазерний випромінювач, який включає в себе систему електродів, систему ультрафіолетової іскрової передіонізації, оптичний резонатор, джерело постійної високої напруги для заряду конденсаторів, вакуумну газозмішувальну систему, який відрізняється тим, що всередині розрядної камери встановлені загострюючі ємності безпосередньо біля електродів об'ємного розряду з індуктивністю монтажу 0,2мкГн, загострюючі конденсатори повністю залиті епоксидним компаундом, причому кожен із загострюючих конденсаторів з'єднаний з п'ятьма голками іскрової системи ультрафіолетової передіонізації, апертура поперечного розряду при атмосферних тисках досліджуваних робочих середовищ вища або рівна 2 ´ 2см 2, іскрові розрядники системи ультрафіолетової передіонізації розміщені "ша ховим порядком" із випромінюванням із-під сітчатого електроду, причому іскрові розрядники передіонізації розташовані відносно напівпрозорого (сітчатого або перфорованого електроду) з міжелектродною віддаллю в системі ультрафіолетової іскрової передіонізації рівною 2мм. Запропоноване технічне рішення відрізняється від відомих рішень зондуванням плазми ультрафіолетових лазерів (підсилювачів у видимій і близькій інфрачервоній областях спектру безпосередньо в режимі генерації або підсилення, а також можливістю проведення спектроскопічної діагностики плазми методиками випромінювання і поглинання в напрямку перпендикулярному оптичній осі резонатора випромінювача безпосередньо в режимі лазерної генерації або підсилення. Конструкція газорозрядного лазерного випромінювача приведена на кресленні (фіг.). Він складається з розрядної камери 1, діелектричної кришки 2, електродів іскрової УФ передіонізації 3, напівпрозорого електроду (сітки) з шириною робочої області 2см, довжиною 15см 4, суцільного металевого електроду 5 з профілем Ернста і величиною корисної робочої площі 2 ´ 15см 2; 6 двох рядів держаків платформи, на якій закріплено електрод 5 (по 4 держаки в ряду), 7 - зарядні індуктивності (два ряди по 4 індуктивності, кожна з яких складається з діелектричного сердечника об'ємом 1 ´ 1 ´ 6см 3, на який накладено 15 - 20 витків ізольованого монтажного проводу), 8 захисні діелектричні пластини, 9 - металеві пластини контуру заземлення; 10 - C 0 (3шт) і 11 C1 (4шт) - набір паралельно з'єднаних конденсаторів К15 - 10 (3370пФ, 315кВ), 12 тиратрон ТГИ 1 1000/25, В - високовольтний випрямляч, 14 - вакуумна газозмішувальна система. Система УФ іскрової передіонізації складається з двох іскрових розрядників (20шт в ряду) із віддаллю між рядами - 9мм. Ряди розміщені один відносно іншого в "шаховому" порядку, при якому кожен іскровий розрядник одного ряду розміщено навпроти середини проміжку між двома іскровими розрядниками іншого ряду. Таке розташування розрядників приводить до збільшення однорідності передіонізації основного розрядного проміжку. Міжелектродна віддаль в системі УФпередіонізації складає - 2мм. Віддаль між сіткою та іскровими лінійками УФ передіонізації - a - вибиралась відповідно до формули a ³ 2B, де B - віддаль між сусідніми іскровими розрядниками (Петрухин Е.А., Подсосонный А.С. О предельной величине энергии импульса генерации электророзрядного HgBr лазера с УФ предионизацией. - Препринт ФИАН СССР. - С.1990, №21, 34с.) В цьому випадку відносна зміна концентрації фотоелектронів УФ передіонізації в області напівпрозорого електроду (сітки) не буде переважати 1%. Для нашої конструкції a = 25мм; b = 9мм. Верхні голки 3 кожної з іскрових лінійок запаралелені по п'ять штук в секцію, а кожна секція підключена до одного з конденсаторів C1. Електродом 4 служить нікелева сітка з розмірами комірок 2 ´ 1мм 2 і прозорістю 50%. Відстань між елекродами 4 і 5, де створюється активне середовище газорозрядного лазерного випромінювача може бути виставлена в межах 0,5 - 5см. На діелектричній кришці 2 розташовано зарядні індуктивності 7 з сумарною величиною індуктивності Lсум @ 0,2мкГн, яка вибиралась з умови Lсум >> Lрозр , де Lрозр -"паразитна" індуктивність основного електричного кола живлення об'ємного розряду. Для даної Конструкції вона не перевищує 10нГн. Таке співвідношення Lсум та Lрозр оптимальне для роботи LC-генератора з "повним" перезарядом ємностей C1 на C0 (Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Влияние параметров - контура на энергию генерации XeCl*-лазера // Квантовая электроника. - 1989. - Т.16. - №11. - С.2228 2231). Розрядна камера 1 виготовлена з нержавіючої сталі (труба) має вн утрішній діаметр Æ240мм і висоту 250мм. У верхній частині камери встановлено чотири герметизованих держаки для оптичних вікон Æ50мм. Два з вікон, які паралельні торцям розрядної області, використовуються в якості резонатора. "Глухим" дзеркалом є діелектричне дзеркало з коефіцієнтом відбивання k = 0,96 - 0,98 - в області ll 220 - 360нм і прозоре у видимій і близькій інфрачервоній областях спектра, а вихідним дзеркалом служить кварцева пластина. Це дозволяє безпосередньо під час роботи випромінювача в режимі лазерної генерації (підсилення) проводити зондування плазми розряду в видимій і інфрачервоній областях спектра. Інші два вікна (прозорі в області ll190 - 1200нм) встановлені у напрямку перпендикулярному оптичній осі резонатора випромінювача і служать для діагностики плазми. методиками випромінювання або поглинання в УФ діапазоні довжин хвиль. Газорозрядний лазерний випромінювач працює слідуючим чином: у відкачаній розрядній камері при допомозі газозмішувальної системи 14 готується досліджувана газова суміш типу He/Kr/Xe/HCl. Основні конденсатори (C1) заряжаються в постійному режимі від високовольтного випрямляча до напруги Uзар = 15 - 24кВ. При відпиранні тиратрона конденсатори C 1 через систему іскрової УФ-передіонізації перезаряджаються на ємності C0, заряжаючи їх. Величина C1 = 27нФ, C0 = 24нФ. При цьому від інтенсивного УФ-випромінювання іскрових розрядників 3, встановлених під напівпрозорим електродом 4 в безпосередній близькості до розрядної області, між електродами 4 і 5 утворюються вільні електрони. Вони служать ініціаторами одержання просторово-однорідного об'ємного розряду в випромінювачі, енерговклад, в плазму здійснюється при розряді конденсаторів C0 на попередньо іонізований міжелектродний проміжок (4) - (5). Під дією електронів плазми поперечного розряду та плазмохімічних процесів відбувається утворення в розрядній зоні того чи іншого активного середовища. Вивід фотонів генерації здійснюється-за допомогою плоскопаралельного резонатора в УФ області спектра. Діагностика плазми поперечного розряду проводиться методикою поглинання через прозорі в видимій (і близькій ІЧ) області спектра. Діагностика методиками випромінювання в області ll 220 - 1200нм проводиться в перпендикулярному напрямку. При значних величинах добутку (Nm F), де F - сила осцилятора, можлива діагностика плазми і методикою поглинання в напрямку перпендикулярному осі резонатора (при довжині зондування @2см). При цьому обмеження на спектральний діапазон накладують лише пропускання вікон, спектральна чутливість системи регістрації, діапазон роботи зондуючого джерела. В даному газорозрядному лазерному випромінювачі одержано однорідний поперечний розряд в сумішах He/Xe/Kr/ = 1000/10 - 50 при загальних тисках 1 - 3атм і апертурою 2 ´ 2см 2. Випромінювач використовується в складі автоматизованого вимірювального комплексу по дослідженнях параметрів плазми ІЧ-лазерів на a ® p переходах важких інертних газів і електророзрядних ексимерних лазерів.