ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1994 года по МПК H01S3/977 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в мощных технологических лазерах с конвективным охлаждением рабочей смеси.

Известно устройство газового лазера с конвективным охлаждением рабочей смеси [1] , состоящее из разрядной трубки, внутри которой с помощью системы электродов создается газоразрядная плазма. В торцах разрядной трубки размещаются зеркала резонатора. Усилительные свойства среды СО₂-лазера ограничены перегревом активной среды. Для предотвращения перегрева в таких устройствах осуществляют прокачку газовой смеси СО₂-лазера вдоль разрядной трубки. Предельная величина удельной выходной мощности излучения ограничена величиной плотности вкладываемой мощности Р_вкл.
Для повышения мощности излучения газовых лазеров с конвективным охлаждением среды используют комбинированные разряды, в которых большая часть энергии вкладывается в течение рекомбинационного распада плазмы при относительно небольших Е/р (Е - напряженность электрического поля; р - давление газа), а импульсный разряд с высоким Е/р используется для создания высокой степени ионизации газа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является газоразрядный лазер с конвективным охлаждением рабочей смеси "Лантан-2М" [2] . Лазер состоит из газового контура, соединенного с разрядной камерой, обеспечивающего скорость потока газа до 70 м/c, и разрядной камеры с оптическим резонатором. Газоразрядная камера ограничена сверху и снизу электродами ионизации, а с боков - стеклотекстолитовыми стенками с отверстиями для прохода излучения и электродов основного разряда. При подаче на электроды ионизации импульсов высокого напряжения от генератора периодических импульсов в объеме камеры поддерживается емкостный разряд. От источника питания основного разряда прикладывается напряжение к электродам основного разряда.

Для многих применений оптимальным с точки зрения технологии являются лазеры, генерирующие импульсы света 50-500 мкс. Такие импульсы генерируют лазеры с накачкой комбинированным разрядом типа "Лантан-2М", работающие в частотно-импульсном режиме. Генератор импульсов в этом случае работает в режиме генерации пачек импульсов с частотой повторения импульсов в пачке 10-20 кГц, так что между импульсами плазма не успевает полностью рекомбинировать. Длительность импульса накачки, а, следовательно, и импульса излучения регулируется числом импульсов в пачке. Достоинствами такого лазера являются возможность достижения высоких энергетических параметров из-за отсутствия балластных сопротивлений в цепи питания разряда и малых затрат мощности на ионизацию среды, хорошая управляемость длительностью импульса и простота конструкции электродов. Однако наличие емкостного сопротивления диэлектрических пластин, изолирующих электроды ионизации от активной среды лазера, ограничивает концентрацию электродов в плазме на уровне 10¹⁰-10¹¹ см^-3 для реальных параметров источников питания, площади и толщины диэлектрических пластин. Это, в свою очередь, ограничивает рабочее давление лазера, мощность накачки и генерации. В то же время изоляция электродов диэлектриком необходима, поскольку это обеспечивает объемный характер ионизирующих импульсов (вследствие балластирующего влияния распределенной емкости) и основного разряда.

Недостатком прототипа является малая величина мощности излучения и низкий КПД. В прототипе направление тока емкостного разряда, вектор тока основного разряда, совпадающего с направлением газового потока, и оптическая ось резонатора ориентированы во взаимно перпендикулярных направлениях.

При этом часть области основного разряда оказалась вне предела действия ионизирующих импульсов. В этой области вблизи электродов основного разряда реализуется самостоятельный режим горения разряда. Разряд в этой области шнуруется, что ограничивает рабочие значения параметра Е/р и тем самым мощность и КПД лазера, поскольку при низких Е/р мала эффективность возбуждения верхнего лазерного уровня и большая часть от вкладываемой мощности идет на нагрев газа и на возбуждение нижнего уровня лазера.

Целью изобретения является повышение мощности излучения и КПД лазера.

Цель достигается тем, что в газовом лазере, содержащем диэлектрическую разрядную камеру, внутри которой установлены основные электроды, и установленные вдоль боковой стенки камеры электроды ионизации, изолированные от газовой среды лазера диэлектриком, источник постоянного напряжения, подключенный к основным электродам, и генератор периодических импульсов, первый вывод которого подключен к электроду ионизации, первый основной электрод выполнен в виде металлической пластины и установлен на боковой внутренней поверхности разрядной камеры напротив электрода ионизации, второй основной электрод выполнен в форме плоской сетки и установлен между первым электродом основного разряда и электродом ионизации на расстоянии от электрода ионизации, меньшем удвоенного наименьшего размера ячейки сетки, причем второй основной электрод подключен к источнику постоянного напряжения через индуктивность.

Реализация положительного эффекта связана с отличительными признаками следующим образом. В предлагаемой конструкции в отличие от прототипа за счет более удачного взаимного расположения электродов основного разряда и электродов ионизации, то есть за счет использования трехэлектродной системы с общим сплошным электродом, область основного разряда полностью попадает в область емкостного разряда. Тем самым устраняются области с самостоятельным режимом горения разряда. При этом значительно повышается среднее значение параметра Е/р, что экспериментально установлено авторами заявки. Так, для смеси СО₂ : N₂ : Не в отношении 1: 14: 10 максимальная величина E/p составила 3,8 В/(см ˙ Торр) для прототипа [2] , а в предлагаемой конструкции для тех же условий Е/р = 4,5 В/(см ˙ Торр). Это позволило увеличить выходную мощность в 2 раза и КПД с 10 до 15% в частотно-импульсном режиме. Реализация положительного эффекта возможна только при использовании двух других отличительных признаков: включения индуктивности и правильного выбора соотношения между расстоянием сетка-электрод и размера ячейки сетки. Включение индуктивности в цепи питания основного разряда позволяет электрически развязать цепи емкостного разряда и цепь основного разряда. Опыты, проведенные на разрядной камере, показали, что при L>τd/εsf сопротивление индуктивности оказывает существенное влияние на основной разряд, что снижает Е/р и вкладываемую мощность; при L<τ²d/ε×s не представляется возможным вообще зажечь разряд, поскольку по высокой частоте источник питания экранирует промежуток сетка - второй электрод основного разряда, что делает невозможным ионизацию среды в этом промежутке.

Слишком мелкая сетка также не позволяет зажечь разряд в основном промежутке из-за экранировки электрического поля емкостного разряда. Соотношение между размером ячейки сетки l и расстоянием сетка-электрод ионизации d_э подбиралось экспериментально. При 2 l > d_эсущественной экранировки поля не наблюдалось.

Испытания различных конструкций полупрозрачного электрода основного разряда показали, что предпочтительна конструкция из решетки, выполненной в виде металлических прутков, ориентированных вдоль газового потока (с соответствующим выбором расстояния между прутками d_n > l). За счет этого устраняется застойная зона между полупрозрачным электродом и электродом ионизации. Поскольку скорость конвективного охлаждения в застойной зоне меньше, чем в ядре потока, то перегрев газа в этой области снижает электрическую прочность промежутка. В конструкции с решеткой были достигнуты максимальные величины Е/p = 5,2 В/(см˙ Торр), и, соответственно, максимальные значения выходной мощности и КПД.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит разрядную камеру 1, источник 2 питания основного разряда, генератор 3 периодических импульсов, индуктивность 4, оптический резонатор 5, газовый контур 6. В состав разрядной камеры входят общий электрод 7, электрод 8 основного разряда и электрод 9 ионизации. Оптический резонатор на чертеже показан условно, его оптическая ось перпендикулярна плоскости чертежа.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 3 периодических импульсов генерирует последовательность высоковольтных импульсов с периодом повторения, меньшим времени рекомбинации плазмы (в случае частотно-импульсного режима работы лазера-пачки таких импульсов). Емкостный разряд, возникающий под действием высоковольтных импульсов, между общим электродом 7 и электродом 9 ионизации периодически ионизует газовую смесь лазера. В паузе между импульсами газоразрядная плазма рекомбинирует. Под действием постоянного напряжения, приложенного от источника 2 питания основного разряда через индуктивность 4 к общему электроду 7 и электроду 8 основного разряда, выполненного в виде сетки или решетки, в активной среде поддерживается тлеющий разряд, который возбуждает колебания уровня 001 молекулы СО₂, являющегося верхним лазерным уровнем. При достаточно высоком уровне накачки осуществляется генерация света. Газовый контур 6 осуществляет прокачку газовой смеси через разрядную камеру 1.

Пример реализации устройства.

В разрядном устройстве использовался газовый контур от установки "Латус-31", разрядная камера изготовлена из текстолита, электроды - из меди. Размеры разрядного промежутка - 90х20х5 см³. Расстояние между сеткой и электродом ионизации - 1 см, размер ячейки сетки - 0,6 см, геометрическая прозрачность сетки - 0,6. Индуктивность - 20 мкГн. Напряжение основного разряда - 2. . . 10 кВ. Напряжение источника периодических импульсов - 10. . . 20 кВ, длительность импульсов - 0,1 мкс, частота повторения импульсов - 20 кГц, длительность пачки импульсов - 1 мс, частота повторения пачек импульсов - 100 Гц. Давление газа - 50 Торр, смесь СО₂ : N₂ : He в отношении 2: 9: 20. Одно из зеркал резонатора глухое с коэффициентом отражения 0,98, другое - полупрозрачное с коэффициентом пропускания 0,5. Максимальная выходная мощность в частотно-импульсном режиме - 3 кВт при КПД 15% .

Опыты показали, что при L < 5 мГн = τ²d/ε×s разряд не зажигается, а при L>10 мГн = τd/ε×s×f сказывается влияние индуктивности на основной разряд, что приводит к снижению Р_вкл и выходной мощности. Было испытано несколько сеток с различными значениями размера ячейки l. При l = 0,4 см, расстоянии между электродами d_э = 1 см (d_э > 2 l) наблюдалось неустойчивое горение разряда со снижением выходной мощности. При l = 0,6 см, d_э = 1 cм (d_э < 2 l) и d_э = 1,2 (d_э = 2 l) разряд горел устойчиво, причем далее от d_э выходная мощность практически не зависела.

Из вышеизложенного видно, что увеличились мощность излучения и КПД. (56) 1. G. J. Derenberg, E. L. Roy and W. B. Meknight, IEEE J. Quantum electroniсs, 1972, v QE-8, N 2, р. 38.

2. Голубев В. С. , Лебедев Ф. В. Инженерные основы создания технологических лазеров. М. : Высшая школа, 1988, с. 63-66.

Использование: в технологических CO₂ с конвективным охлаждением рабочей смеси. Сущность изобретения: лазер состоит из камеры, выполненной из диэлектрика, с электродами 7 - 9 основного разряда и ионизации, источника 2 постоянного напряжения и генератора 3 периодических импульсов, причем один из электродов 7 основного разряда выполнен в виде металлической пластины, установлен внутри камеры и дополнительно подключен к генератору 3, другой электрод 8 выполнен в виде сетки и установлен между электродами 7 и электродом 9 ионизации. Расстояние между электродами 8 и 9 меньше удвоенного размера ячейки сетки, кроме того, между источником 2 постоянного напряжения и электродом 8 включена индуктивность 4. 1 ил.

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий диэлектрическую разрядную камеру, внутри которой установлены основные электроды и расположенный вдоль боковой стенки камеры электрод ионизации, изолированный от газовой среды лазера диэлектриком, источник постоянного напряжения, подключенный к основным электродам, и генератор периодических импульсов, первый вывод которого подключен к электроду ионизации, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности и КПД, в лазер введена индуктивность, первый основной электрод выполнен в виде металлической пластины и установлен на боковой внутренней поверхности разрядной камеры напротив электрода ионизации и подключен к второму выводу генератора периодических импульсов, второй основной электрод выполнен в форме плоской сетки и установлен между первым электродом основного разряда и электродом ионизации на расстоянии от электрода ионизации меньшем удвоенного наименьшего размера ячейки сетки, причем второй основной электрод подключен к источнику постоянного напряжения через индуктивность.