устройство для генерации импульсного излучения в лазере бегущей волны

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРЕ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ, содержащее камеру с лазерной средой, источник накачки и собирающую оптическую систему на выходе камеры, в которой установлены ограничительные элементы, ограничивающие лазерную среду поверхностью в виде боковой поверхности усеченного конуса, переходящей со стороны меньшего основания в поверхность соосного с конусом цилиндра, при этом отношение большего размера основания цилиндра к его высоте превышает отношение большего размера большего основания конуса к его высоте, отличающееся тем, что собирающая оптическая система выполнена в виде по крайней мере одного оптического элемента с отражающей поверхностью эллипсоида вращения, причем один из его фокусов совмещен с меньшим основанием ограничивающей лазерную среду конической поверхности, а другой фокус расположен вне камеры с лазерной средой, при этом в стенке камеры на пути распространения отраженного от собирающей оптической системы излучения выполнено окно, закрытое прозрачным оптическим элементом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к генерации импульсного излучения наносекундной длительности с большой энергией, и может быть использовано в научном эксперименте, в частности в решении проблемы лазерного термоядерного синтеза (ЛТС).

Известны устройства, в которых лазерные активные среды имеют большой коэффициент усиления (эксимерные молекулы, HF, DF и др.). В качестве источников возбуждения в таких устройствах могут быть применены мощные источники проникающего излучения, такие как электронные и протонные ускорители, и особенно полихроматические источники ионизирующих излучений [1]

Известно устройство для генерации импульсного излучения в лазере бегущей волны, содержащее камеру с лазерной средой, источник накачки и собирающую оптическую систему на выходе, причем в камере с лазерной средой установлены ограничительные элементы, ограничивающие лазерную среду поверхностью в виде боковой поверхности усеченного конуса, переходящей со стороны меньшего основания в поверхность соосного с конусом цилиндра, при этом отношение большего размера основания цилиндра к его высоте превышает отношение большего размера основания конуса к его высоте [2] Собирающая оптическая система на выходе камеры с лазерной средой может быть выполнена в виде сферического зеркала, которое фокусирует лазерное излучение на мишень, установленную на оптической оси лазера бегущей волны. Мишень размещается в мишенной камере, расположенной внутри объема усеченного конуса равноудаленно от его боковых стенок вблизи большего основания конуса сферической поверхности зеркала. На входе в мишенную камеру перпендикулярно оптической оси, установлена плоская прозрачная пластина, разделяющая объем с газовой лазерной средой и вакуумный объем мишенной камеры. С тыльной стороны мишенной камеры устанавливается защита от проникающего излучения.

В этом устройстве нельзя увеличить выходную энергию лазера бегущей волны из-за невозможности наращивания размеров лазерной среды путем увеличения диаметра большего основания усеченного конуса в силу значительных сферических аберраций собирающей оптической системы сферического зеркала. Для исследований по ЛТС необходимы значительные вариации лазерной энергии на мишени, для чего необходимы многомодульные установки из нескольких лазеров бегущей волны. Использование в качестве собирающей оптической системы сферического зеркала не позволяет реализовать такие устройства. При использовании собирающей оптической системы на основе сферического зеркала в исследованиях по проблеме ЛТС мишенная камера располагается внутри лазерного объема, что усложняет монтаж, ограничивает ее размеры, возможности диагностики мишени и конструктивные варианты. Кроме того, практически не удается значительно снизить потери лазерного излучения из-за затенения мишенной камерой поверхности сферического зеркала, которые в лучшем варианте составляют порядка 45-50% Фокусировка лазерного излучения на входное окно мишенной камеры приводит к возрастанию плотности мощности лазерного излучения на входном окне по сравнению с его плотностью на поверхности фокусирующего зеркала, что увеличивает вероятность пробойных явлений как на поверхности входного окна мишенной камеры, так и в объеме лазерной среды.

Целью изобретения является увеличение выходной энергии лазерного излучения.

Цель достигается тем, что в известном устройстве для генерации импульсного излучения в лазере бегущей волны собирающая оптическая система выполнена в виде по крайней мере одного оптического элемента с отражающей поверхностью эллипсоида вращения, причем один из его фокусов совмещен с меньшим основанием ограничивающей лазерную среду конической поверхности, а другой фокус расположен вне камеры с лазерной средой, при этом в стенке камеры на пути распространения отраженного от собирающей оптической системы излучения выполнено окно, закрытое прозрачным оптическим элементом.

На фиг. 1 схематически изображено устройство с одним элементом, имеющим отражающую эллиптическую поверхность; на фиг. 2 то же, с несколькими отражающими элементами с эллиптическими поверхностями.

Устройство содержит камеру 1 с активной лазерной средой, источник 2 накачки и собирающую оптическую систему 3 на выходе камеры 1. В камере 1 установлены ограничительные элементы, ограничивающие лазерную среду поверхностью 4 в виде боковой поверхности усеченного конуса, переходящего со стороны меньшего основания 5 в поверхность 6 соосного с конусом цилиндра. В этом месте перехода образуется отверстие. Отношение большего размера основания 7 цилиндра к его высоте превышает отношение большего размера большего основания 8 конуса к его высоте. Оптическая система 3 выполнена в виде одного или нескольких элементов с отражающей поверхностью 9 эллипсоида вращения. Один из фокусов 10 эллипсоидов вращения совмещен с основанием усеченного конуса, а другой фокус 11 расположен вне камеры 1 с активной лазерной средой. На пути излучения, отраженного от поверхности эллипсоида, установлен прозрачный оптический элемент 12, который может быть выполнен в виде пластины или линзы, позволяющей уменьшить или увеличивать размеры пятна 13 фокусировки. В месте фокусировки может быть размещена термоядерная мишень.

Устройство работает следующим образом. Одновременно с волной накачки в объеме, ограниченном цилиндрической поверхностью 6, формируется поле вынужденного излучения, часть которого, проходя отверстие, образованное в месте перехода боковой поверхности усеченного конуса в поверхность соосного с конусом цилиндра, заполняет телесный угол объема, ограниченного боковой поверхностью 4 усеченного конуса и, распространяясь по нему, усиливается. Отражаясь от поверхности эллипсоидов вращения, вынужденное излучение проходит прозрачный оптический элемент 12 и фокусируется в пятне 13 фокусировки, где может быть размещена термоядерная мишень. При использовании в оптической системе 3 нескольких элементов с отражающими поверхностями 9 эллипсоидов вращения изображения отверстия в каждом элементе оптической системы 3 совмещаются в пятне 13 фокусировки.

Применение устройства позволит создать высокоэффективный источник вынужденного излучения для целей ЛТС. В устройстве полностью используется объем с лазерной средой, который без ограничения на условия фокусировки может быть увеличен до необходимых размеров для получения лазерной энергии вплоть до 10⁵ Дж. Устройство является единичным модулем. Такие модули можно абсолютно независимо плотно компановать вокруг источника накачки, причем количество энергии вынужденного излучения на мишени будет увеличиваться пропорционально числу таких модулей. Устройство позволяет надежно защитить мишень от проникающего излучения источника накачки и провести в полном объеме диагностику термоядерной мишени во время срабатывания устройства.