УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА Российский патент 1994 года по МПК H01S3/975 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газоразрядных лазеров.

Известны устройства возбуждения газового лазера, которые создают в газоразрядной трубке лазера продольный разряд постоянного тока или продольный высокочастотный (ВЧ) разряд (см. Ищенко Е. Ф. , Климков Ю. М. Оптические квантовые генераторы. М. : Советское радио, 1968, с. 26). Однако продольному разряду свойственны паразитные реактивные колебания, ухудшающие спектральные характеристики лазерного излучения. Другим недостатком подобных устройств является необходимость применять поджигающее устройство, а в случае разряда постоянного тока - вводить в газоразрядную трубку анод, катод, использовать высоковольтный источник питания.

Известны также устройства возбуждения газового лазера, которые создают в газоразрядной трубке поперечный ВЧ-разряд. Они содержат ВЧ-источник питания и связанный с его выходом ВЧ-резонатор, в котором расположена газоразрядная трубка (см. Юдин В. И. Исследование гелий-неонового ОКГ с высокочастотным разрядом. - "Квантовая электроника", 1973, N 3, с. 134). Подобные устройства имеют недостаточную эффективность возбуждения рабочей среды лазера, что связано с особенностями распределения ВЧ-электрического поля резонатора вдоль газоразрядной трубки и в ее поперечном сечении.

В устройстве, принятом за прототип, поперечный ВЧ-разряд создается высокочастотным электрическим полем резонатора, который образован отрезком симметричной двухпроводной линии, проводники которой размещены в общем экране и расположены вдоль оси газоразрядной трубки лазера. Несимметричный выход ВЧ-источника питания подключен к середине отрезка двухпроводной линии, при этом один из проводников имеет относительно экрана нулевой ВЧ-потенциал (см. Абрамов В. И. и др. Населенность состояний 3S₂, 2P₄ неона в плазме Не-Ne ОКГ. Сб. трудов Воронежского политехнического института. Генерирование и усиление колебаний, 1971, вып. 4, с. 309). В отрезке двухпроводной линии ВЧ-источник питания возбуждает стоячую волну с чередующимися вдоль отрезка пучностями и узлами напряженности электрического поля. В поперечном сечении отрезка напряженность электрического поля вблизи проводника с нулевым ВЧ-потенциалом меньше, чем у второго проводника. Таким образом, электрическое поле в устройстве-прототипе существенно неоднородно вдоль оси и в поперечном сечении газоразрядной трубки, что вызывает соответствующую неоднородность интенсивности процессов ионизации и возбуждения газовой среды, ухудшающую спектральные и энергетические характеристики лазерного излучения, т. е. снижение эффективности возбуждения рабочей среды лазера.

Цель изобретения - повышение эффективности возбуждения рабочей среды газового лазера.

Цель достигается тем, что в устройство возбуждения газового лазера, содержащее ВЧ-источник питания и связанный с его выходом высокочастотный резонатор, образованный отрезком симметричной двухпроводной линии, проводники которой размещены в общем экране и расположены вдоль оси газоразрядной трубки лазера, введены дополнительный ВЧ-источник питания, идентичный основному, задающий ВЧ-генератор, квадратурный делитель мощности и четыре реактивных двухполюсника. При этом выход задающего ВЧ-генератора через квадратурный делитель мощности подключен к входам основного и дополнительного ВЧ-источников питания, выходы которых включены между общим экраном и соответственно первым и вторым проводниками с одной стороны отрезка двухпроводной линии, первый и второй реактивные двухполюсники включены между общим экраном и, соответственно, первым и вторым проводниками с противоположной стороны отрезка двухпроводной линии, а третий и четвертый реактивные двухполюсники включены между общим экраном и выходами соответственно основного и дополнительного ВЧ-источников питания. Отрезок двухпроводной линии выполнен с длиной, равной нечетному числу четвертей длины волны задающего ВЧ-генератора, а сопротивления Х₁, Х₂, Х₃, Х₄ соответственно первого, второго, третьего и четвертого реактивных двухполюсников удовлетворяют следующим соотношениям:
X₁= -X₂= jZ_c, X₃= j, X₄= -j где Z_c, Z_п - волновые сопротивления линий, образованных каждым из проводников высокочастотного резонатора и общим экраном соответственно при синфазном и противофазном возбуждении;
ReY_г, I_mY_г - соответственно активная и реактивная составляющие внутренней проводимости генератора, эквивалентного каждому из ВЧ-источников питания;
j - мнимая единица.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства возбуждения газового лазера; на фиг. 2 - эквивалентная схема, поясняющая его работу.

Устройство возбуждения газового лазера (фиг. 1) содержит высокочастотный резонатор, образованный проводниками 1 и 2 отрезка симметричной двухпроводной линии, расположенной вдоль оси газоразрядной трубки 3, основной 4 и дополнительный 5 ВЧ-источники питания, задающий ВЧ-генератор 6, квадратурный делитель 7 мощности и четыре реактивных двухполюсников 8-11. Проводники 1 и 2 размещены в общем экране, который обозначен на фиг. 1 как "корпус". Выход задающего генератора 6 через квадратурный делитель 7 подключен к входам ВЧ-источников 4 и 5. Выходы ВЧ-источников 4 и 5 питания включены между общим экраном и соответственно проводниками 1 и 2 с одной стороны отрезка двухпроводной линии. Первый и второй реактивные двухполюсники 8 и 9 включены между общим экраном и соответственно проводниками 1 и 2 с противоположной стороны отрезка двухпроводной линии. Третий и четвертый реактивные двухполюсники 10 и 11 включены между общим экраном и соответственно выходами основного и дополнительного ВЧ-источников 4 и 5 питания.

Отрезок двухпроводной линии имеет длину, равную нечетному числу четвертей длины волны задающего генератора. ВЧ-источники 4 и 5 могут быть выполнены в виде усилителей мощности или синхронизированных генераторов, квадратурный делитель 7 - в виде шлейфного моста или трехдецибельного направленного ответвителя на связанных линиях, реактивные двухполюсники 8-11 - например, в виде реактивных шлейфов.

Эквивалентная схема устройства возбуждения газового лазера (фиг. 2) содержит П-образный четырехполюсник 12, эквивалентный высокочастотному резонатору, генераторы 13 и 14 тока с внутренними проводимостями 15, эквивалентные соответственно основному 4 и дополнительному 5 ВЧ-источниками питания, и проводимости jY₃ = 1/X₃ 16 и jY₄ = 1/X₄ 17 соответственно третьего и четвертого реактивных двухполюсников. Эквивалентный четырехполюсник 12, входы которого соответствуют выходам ВЧ-источников 4 и 5 на фиг. 1, содержит реактивные проводимости jY₁, jY₂, jY₁₂ и активные сопротивление R, отображающее выделение активной мощности высокочастотных колебаний в плазме газового разряда. При высокой добротности высокочастотного резонатора R >> Z_c, R >> Z_п.
Устройство возбуждения газового лазера работает следующим образом. К входам ВЧ-источников 4 и 5 питания от задающего генератора 6 через квадратурный делитель 7 подводятся колебания равной амплитуды, сдвинутые по фазе на угол 90^о. Поэтому токи эквивалентных генераторов 13 и 14 находятся в квадратурном соотношении: I_г2 = ± jI_г1. Оба ВЧ-источника питания возбуждают в высокочастотном резонаторе стоячую волну, для которой распределения комплексной амплитуды напряжения проводников 1 и 2 относительно общего экрана u₁(x) и u₂(x) и тока в этих проводниках I₁(x) и I₂(х) по координате х, отсчитываемой вдоль оси газоразрядной трубки, определяются условиями возбуждения резонатора и граничными условиями на концах проводников 1 и 2. Эти условия, а также длина l проводников 1 и 2 таковы, что разность высокочастотных потенциалов u₁(x) - u₂(x), т. е. противофазная волна, имеет амплитуду, не зависящую от координаты х, и, следовательно, распределение амплитуды напряженности электрического поля по оси газоразрядной трубки 3 оказывается равномерным. В сравнении с устройством-прототипом повышается равномерность электрического поля и в поперечном сечении газоразрядной трубки, поскольку оба проводника 1 и 2 являются "потенциальными".

Величина проводимости третьего и четвертого реактивных двухполюсников 10 и 11 (jY₃ и jY₄ на фиг. 4) выбрана из условия комплексно-сопряженного согласования ВЧ-источников 4 и 5 питания с нагрузкой, функцию которой выполняет сопротивление R с учетом взаимодействия между источниками. При этом ВЧ-источники питания "вкладывают" в плазму газового разряда максимальную для заданных токов | I_г1| = = | I_г2 | и внутренней проводимости Y_г эквивалентных генераторов высокочастотную мощность, равную удвоенной номинальной мощности каждого из ВЧ-источников в отдельности.

Для подтверждения эффектов постоянства амплитуды противофазной волны вдоль проводников 1 и 2 и комплексно-сопряженного согласования на выходах ВЧ-источников 4 и 5 обратимся к уравнениям для комплексных амплитуд напряжения и тока в связанных линиях без потерь, которыми можно воспользоваться при высокой добротности высокочастотного резонатора (см. Фельдштейн А. Л. , Явич Л. Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М. : Связь, 1971, с. 201-203, 210, 212):
u₁(x) = u₁(0)cosmx + j ρ I₁(0)sinmx + jrI₂(0)sinmx,
u₂(x) = u₂(0)cosmx + j ρ I₂(0) x sinmx + jrI₁(0)sinmx,
I₁(x)= I₁(o)cosmx+j sinmx-j sinmx
I₂(x)= I₂(o)cosmx+j sinmx-j sinmx где m= ; λ - длина волны задающего генератора;
ρ, r и W, V - индуктивные и емкостные коэффициенты, связанные с волновыми сопротивлениями Z_c и Z_п соотношениями:
ρ = , r =
W = , V = Граничные условия со стороны первого и второго реактивных двухполюсников 8 и 9 I₁(o) = , I₂(o) = и принятые значения ml = 0,5 π, 1,5 π, , . . . позволяют выразить u₁(x) и u₂(x) через напряжения u₁ и u₂ на выходах эквивалентных генераторов 13 и 14:
u₁(x)= ± (ρu₁-ru₂)cosmx ± u₁sinmx,
u₂(x)= ± (ru₁-ρu₂)cosmx ± u₂sinmx Разность напряжений
u₁(x)-u₂(x)= ±(u₁+u₂)x
x cosmx±(u₁-u₂)sinmx при квадратурном соотношении между u₁ и u₂, когда u₂ = ± ju₁, имеет амплитуду (модуль) u₁(x)-u₂(x)= ± u₁(1 ± j)(cosmx-jsinmx)= u не зависящую от координаты х. Квадратурное соотношение между u₁ и u₂, необходимое для достижения этого эффекта, получается при комплексно-сопряженном согласовании в выходных цепях ВЧ-источников питания.

Из уравнений для I₁(x) и I₂(x) можно получить выражения для токов в проводниках 1 и 2 при х = l:
I₁= j, I₂= -j откуда следует, что реактивные элементы П-образной схемы замещения высокочастотного резонатора, т. е. четырехполюсника 12 на фиг. 2, равны:
jY₁= j, jY₂= -j, jY₁₂= 0 Нулевое значение взаимной проводимостей jY₁₂ минимизирует взаимодействие ВЧ-источников питания - связь между эквивалентными генераторами тока 13 и 14 осуществляется только через высокоомное (в сравнении с Z_c и Z_п) сопротивление R. Для узлов эквивалентной схемы устройства возбуждения (фиг. 2) справедливы уравнения Кирхгофа:
I_Г1= (Y_г+jY₁+jY₃+ )u₁- u₂
I_Г2= (Y_г+jY₂+jY₄+ )u₂- u₁ которые с учетом величины проводимостей jY₁, jY₂и jY₃ = 1/x₃, jY₄ = 1/x₄сводятся к виду
I_Г1= (ReY_г ± jReY_г+ )u₁- u₂
I_Г2= (ReY jReY_г+ )u₂- u₁ При квадратурном соотношении между u₁ и u₂, когда u₂ = ±ju₁, получаем:
I_Г1= (ReY_г ± jReY_г+ j)u₁
I_Г2= (ReY_г jReY_г+ ± j)u₂ где последнее слагаемое в скобках есть доля проводимости, ощущаемой генератором тока, обусловленная их взаимодействием. Комплексно-сопряженное согласование в выходных цепях эквивалентных генераторов тока достигается при
ReY_г= При этом, во-первых,
I_Г1= (ReY_г+ )u₁
I_Г2= (ReY_г+ )u₂ и, следовательно, сдвиг фазы токов на угол 90^о обеспечивает необходимое квадратурное соотношение между напряжениями. Во-вторых, мощность, поглощаемая сопротивлением R, величину которой можно определить как
P = = = достигает максимального значения
P_max= которое вдвое больше номинальной мощности генератора тока I_г1 с внутренней проводимостью Y_г, т. е. мощности каждого из ВЧ-источников питания в отдельности.

Реализация условия ReY_г = 1/R является традиционным для высокочастотной техники выбором оптимальной связи ВЧ-источников питания с нагрузочной цепью. При этом компенсирующие реактивные проводимости jY₃и jY₄, величина которых зависит от ReY_г, корректируются в процессе регулировки устройства возбуждения с использованием визуального или аппаратурного контроля за параметрами газового разряда. Критерием регулировки является максимум мощности, выделяющейся в плазме газового разряда и, следовательно, развиваемой ВЧ-источниками питания, при равномерности свечения плазмы по длине газоразрядной трубки.

Таким образом, устройство возбуждения газового лазера позволяет повысить равномерность возбуждающего электрического поля по длине и в поперечном сечении газоразрядной трубки, удвоить мощность возбуждения и тем самым повысить эффективность возбуждения рабочей среды газового лазера. (56) Юдин В. И. Исследование гелий-неонового ОКГ с высокочастотным разрядом. - Квантовая электроника, 1973, N 3, с. 134.

Абрамов В. И. и др. Населенность состояний 3S₂, 2P₄ неона в плазме Не-Ne ОКГ. Сб. трудов Воронежского политехнического института. Генерирование и усиление колебаний. 1971, в. 4, с. 309.

Сущность изобретения: устройство возбуждения лазера содержит ВЧ - источники питания, задающий ВЧ - генератор, квадратурный делитель мощности, а также четыре реактивных двухполюсника. Вход задающего ВЧ - генератора через квадратурный делитель мощности подключен к входам ВЧ - источников питания, а их выходы - к проводникам резонатора в точках подключения реактивных двухполюсников, два реактивных двухполюсника подключены к проводникам с противоположной стороны. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА, содержащее ВЧ-источник питания и связанный с его выходом высокочастотный резонатор, образованный отрезком симметричной двухпроводной линии, проводники которой размещены в общем экране и расположены вдоль оси газоразрядной трубки лазера, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности возбуждения рабочей среды лазера, в устройство введены дополнительный ВЧ-источник питания, идентичный основному, задающий ВЧ-Генератор, квадратурный делитель мощности и четыре реактивных двухполюсника, при этом выход задающего ВЧ-генаратора через квадратурный делитель мощности подключен к входам основного и дополнительного ВЧ-источников питания, выходы которых включены между общим экраном и соответственно первым и вторым проводниками с одной стороны отрезка двухпроводной линии первый и второй реактивные двухполюсники включены между общим экраном и соответственно первым и вторым проводниками с противоположной стороны отрезка двухпроводной линии, третий и четвертый реактивные двухполюсники включены между общим экраном и выходами, соответственно, основного и дополнительного ВЧ-источников питания, причем отрезок двухпроводной линии выполнен с длиной равной нечетному числу четвертей длины волны задающего ВЧ-генератора, а сопротивления X₁, X₂, X₃, X₄, соответственно первого, второго, третьего и четвертого реактивных двухполюсников удовлетворяют следующим соотношениям:
X₁= -X₂= jZ_c ;
X₃= j
X₄= -j
где Z_c; Z_n - волновые сопротивления линий, образованных каждым из проводников высокочастотного резонатора и общим экраном соответственно при синфазном и противофазном возбуждении;
Re Y_г; J_m Y_г - соответственно активная и реактивная составляющие внутренней проводимости генератора, эквивалентного каждому из ВЧ-источников питания;
j - мнимая единица.