ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ПРОТОЧНЫЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ CO-ЛАЗЕР Российский патент 1994 года по МПК H01S3/38 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к импульсным газоразрядным проточным СО₂-лазерам, и может быть использовано при создании технологических лазеров.

Известен газоразрядный импульсный СО₂-лазер (ГРД), содержащий анод и катод и блок предыонизации, расположенный сбоку от электродов ("боковую подсветку") [1]. Такая конструкция ГРД позволяет формировать разряд в электроразрядной камере со сплошными анодом и катодом.

Недостатками такого лазера является низкое качество излучения за счет очень неоднородного разряда, в том числе за счет неоднородности подсветки в объеме разряда (в направлении потока рабочего тока). С увеличением межэлектродного промежутка для избежания пробоя на предыонизатор последний приходится отодвигать от электродов, что снижает интенсивность подсветки в рабочем объеме камеры, увеличивает ее длину и массу.

Наиболее близким к предлагаемому является лазер, который представляет собой импульсно-периодический проточный газоразрядный СО₂-лазер, содержащий блок предыонизации, расположенный под перфорированным катодом, анод и резонатор. Причем перфорация выполнена в виде сетки.

Описанная конструкция лазера позволяет получать когерентное излучение.

Однако устройство конструкции имеет низкие ресурс катода и невысокое качество излучения. При работе газоразрядной камеры такого лазера в случае аварийного режима (дуговой разряд) возможен прогар сетки. Организовать эффективное ее охлаждение сложно. Кроме того, наличие продольных (по потоку газа) и поперечных (вдоль оптической оси) элементов сетки создает объемные неоднородности в межэлектродном зазоре, которые снижают качество излучения. Сложна технология изготовления такой перфорации.

Целью изобретения является улучшение оптического качества излучения и увеличение ресурса лазера.

Это достигается тем, что в импульсно-периодическом проточном газоразрядном СО₂-лазере, содержащем резонатор, два электрода, по крайней мере один из которых перфорированный, и блок предыонизации, расположенный за перфорированным электродом, перфорация электрода выполнена в виде продольных по потоку газа чередующихся пазов и перемычек, причем длина паза не менее размера по потоку зоны разряда электрода, ширина паза не менее ширины В перемычки, разделяющей пазы, при этом ширина В перемычки связана с межэлектродным расстоянием Н следующим соотношением: B/H = 0,02-0,1.

На чертеже изображена часть электродной системы лазера.

Устройство содержит систему предыонизации 1, расположенную под перфорированным катодом 2, анод 3, резонатор 4. Электрод импульсно-периодического проточного газоразрядного СО₂-лазера имеет так называемую зону разряда Р и профилированные края Е, обеспечивающие однородность электрического поля в межэлектродном промежутке. Перфорация электрода выполнена в зоне разряда Р в виде продольных по потоку газа пазов 5, разделенных перемычками 6, имеющими ширину В. Анод 3 и катод 2 разделены межэлектродными промежутками 7 размером Н. Ширина перемычки В связана с размером Н соотношением B/H = 0,02-0,1.

Лазер работает следующим образом.

Рабочее тело со скоростью подается в межэлектродный промежуток 7. При подаче напряжения на электроды системы предыонизации 1 и электроды 2 и 3 в лазерной смеси, находящейся в межэлектродном промежутке 7, зажигается разряд. При этом излучение от ультрафиолетовых источников 1 (системы предыонизации) через пазы 5 засвечивает объем рабочей смеси, находящейся в межэлектродном пространстве.

При зажигании разряда происходит возбуждение рабочего тела, а резонатором 4 формируется лазерное излучение. При этом выполнение перфорации в виде продольных пазов, длина которых не менее размера по потоку зоны разряда катода, создает большую "прозрачность" катода, а следовательно, и более равномерную подсветку межэлектродного объема. Происходит это из-за отсутствия (в случае пазов) поперечных перемычек.

Если длина паза будет меньше размера по потоку зоны разряда электрода, межэлектродный объем будет использоваться неэффективно, будет уменьшен энерговклад в разряд, снижена мощность излучения лазера. Для сохранения тех же параметров излучения очевидно следует увеличить, например, энерговклад в разряд с помощью разного рода усложнений, что приведет к снижению надежности и ресурса газоразрядной камеры.

Расположение пазов вдоль потока рабочего тела способствует снижению неоднородностей в потоке, генерируемых этими пазами, нежели любое иное их расположение. Все же имеющие место неоднородности перпендикулярны направлению излучения лазера (аналог - след за сопловой решеткой в газодинамических лазерах, только существенно меньшие неоднородности) и поэтому слабо влияют на его характеристики.

Выполнение условия, при котором ширина паза не менее ширины В перемычки, также обеспечивает большую прозрачность электрода.

Выполненные экспериментальные исследования показывают, что оптимальная ширина паза В зависит прямо пропорционально от межэлектродного расстояния Н и составляет величину В/Н = 0,02-0,1. С точки зрения оптического качества излучения предпочтительны меньшие значения В. С другой стороны при малой толщине перемычка оказывается сильно напряженной в тепловом отношении. Поэтому снижение В/Н < 0,02 нецелесообразно с точки зрения ресурса электроразрядной камеры. Увеличение В/H > 0,1 также нежелательно, так как большая толщина перемычки затеняет подсветку и снижает однородность разряда. Для ориентировки при межэлектродном расстоянии Н = 40 мм оптимальная ширина перемычки составляет В ≈ 1,5-2 мм (В/Н ≈ = 0,05). При этих размерах создаваемые неоднородности невелики и достаточно эффективно охлаждение перемычек.

Таким образом, выполнение устройства согласно описываемому изобретению позволяет улучшить оптическое качество излучения и увеличить ресурс лазера.

Использование: электродные системы импульсно-периодических газоразрядных проточных CO₂ - лазеров. Сущность изобретения: в лазере с блоком предыонизации, расположенном под перфорированным электродом, перфорация электрода выполнена в виде продольных по потоку газа чередующихся пазов и перемычек. 1 ил.

ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ПРОТОЧНЫЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ CO₂-ЛАЗЕР, содержащий резонатор, два электрода, по крайней мере один из которых перфорированный, и блок предионизации, расположенный за перфорированным электродом, отличающийся тем, что перфорация электрода выполнена в виде продольных по потоку газа чередующихся пазов и перемычек, причем длина паза не менее размера по потоку зоны разряда электрода, ширина паза не менее ширины перемычки, разделяющий пазы, при этом ширина B перемычки связана с межэлектродным расстоянием H соотношением B / H = 0,02 - 0,1.