Г. Кнайпп,  М. Ренч

ЛАЗЕР  НА  ПАРАХ  МЕДИ,  НАГРЕВАЕМЫЙ  ИМПУЛЬСНЫМ  РАЗРЯДОМ

Описан лазер на парах меди, в капилляре которого производятся последовательно два газовых разряда: один из них служит для образования паров, а другой создает в них инверсию населенностей. Благодаря тому, что температура капилляра практически не зависит от параметров газового разряда, создающего инверсию, облегчена оптимизация электрических параметров разрядного контура.

Среди лазеров на парах металлов лазеры на парах меди из-за достигаемой высокой импульсной мощности, большой возможной частоты следования импульсов и особенно вследствие относительно высокого КПД принадлежат к наиболее перспективным.
Для получения требуемых паров меди из металла необходима температура 1500 К и более. В настоящее время широкое распространение получили лазеры, нагреваемые электрическим разрядом. Первый такого рода лазер на парах меди был создан в 1972 г. Г.Г. Петрашом с сотрудниками [1]. В их конструкции медь находилась в капилляре. Требуемая температура получалась вследствие разряда в газе, который одновременно служил для создания инверсии. Были определены необходимые мощность в импульсе при заданной частоте следования, температура и конструкция капилляра. Поскольку мощность такого одиночного импульса не может быть сколь угодно большой, то соответственно устанавливается и верхняя граница частоты следования импульсов. Решающим преимуществом этого лазера является его относительно большой КПД, причем обычно выгодна высокая частота следования импульсов. К сожалению, указанные параметры не могут быть выбраны независимо друг от друга из-за взаимной зависимости температуры, мощности и частоты следования импульсов и тепловой изоляции капилляра.
Мы разработали лазер на парах меди, разогреваемых электрическим разрядом, который отличается от известных до сих пор лазеров этого типа. В нем частота следования, энергия, запасенная в батарее конденсаторов, и рабочая температура могут выбираться в широких пределах независимо друг от друга, причем без изменения термоизоляции капилляра лазера. Это возможно благодаря тому, что в капилляре лазера производятся друг за другом два газовых разряда. Один из этих разрядов служит для образования паров меди, а другой создает в них инверсию населенности.

Рис. 1. Схема лазера на парах меди:
1,2- трубки из молибденовой фольги
3 - катод
4 - генератор прямоугольных импульсов
5 - линия задержки
6 - генератор высоковольтных импульсов.

На рис. 1 схематически показана конструкция нашего прибора. В стеклянной трубе, закрытой брюстеровскими окошками, находится трубка из керамики на основе Al₂0₃ внутренним диаметром 5 мм и длиной 250 мм. Па оба конца этой трубки надеты трубочки из молибденовой фольги 1, 2, которые служат электродами, причем капилляр с помощью керамического материала термически изолирован от стеклянной трубы. Кроме того, в газоразрядном промежутке находится накаливаемый оксидный катод 3. Медь распределена вдоль капилляра в виде маленьких шариков. В капилляре, заполненном буферным газом, между электродами 1 и 2 с частотой 50 Гц поджигается газовый разряд с быстрым нарастанием тока, который при накаленном капилляре создает инверсию атомов меди. При такой низкой частоте следования импульсов существенного разогрева лазерной трубки за счет этих разрядов не происходит, и поэтому ничто не ограничивает возможности изменения их электрических параметров в широких пределах.
Указанный газовый разряд обеспечивает помимо инверсии еще и поджиг второй цепи разряда переменного тока между оксидным катодом 3 и анодом 1. С помощью этого разряда в лазер вводится энергия, необходимая для образования паров меди. Энергию, подводимую к лазеру, а, следовательно, и давление паров меди можно легко изменять регулировкой длительности импульса напряжения во второй цепи. Преимущество этого лазера по сравнению с обычными лазерами на парах металлов состоит в том, что температура капилляра практически независима от параметров газового разряда, создающего инверсию атомов меди. Благодаря этому облегчена оптимизация электрических параметров разрядного контура, однако указанные преимущества приводят к снижению КПД.
По сравнению с лазерами, в которых необходимая для получения паров меди энергия подводится с помощью печки, описанный лазер имеет преимущество в простоте конструкции и высокой эффективности нагрева.
В описанной конструкции было получено давление паров меди около 5 мм рт. ст. (обусловленное максимальной рабочей температурой керамики порядка 1800°С). Разрядный импульс, необходимый для получения инверсной населенности, создавался за счет управляемо­го тиратроном разряда конденсатора. При применении аргона в качестве буферного газа при давлении 5 мм рт. ст. был получен лазерный эффект на линиях 510,6 и 578,2 нм. При этом (что зависело от свойств резонатора) на долю линии 578,2 нм выпадало от 6 до 40 % суммарной мощности.
На рис. 2 показаны импульс тока, применяемый для возбуждения лазера, и генерируемый лазерный импульс.

Рис. 2. Импульсы тока (1) и лазерной генерации (2).

На длине волны 510,6 нм была получена импульсная мощность 20 кВт при длительности импульса по полувысоте 7 нс. Это соответствует удельной импульсной мощности около 4 кВт/см³ и удельной энергии импульса около 30 мкДж/см³. Средняя мощность генерируемого излучения (для невысокой частоты повторения импульсов) около 7 мВт. Резонатор лазера состоял из 100 %-ного зеркала с радиусом кривизны 10 м и плоскопараллельной стеклянной пластины, расположенных на расстоянии 1 м друг от друга. Лазерный импульс появлялся примерно за 30 нс до достижения максимальной величины тока. С учетом энергии, запасаемой в конденсаторах, КПД описанной конструкции составляет около 0,5 %. На длине волны 510,6 нм была замечена суперлюминесценция.

1. А.А. Исаев, М.А. Казарян, Г.Г. Петраш. «Письма в  ЖЭТФ», 16, 40 (1972).