ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1994 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к электроразрядным газовым ТЕА лазерам, работающим с высокой частотой импульсов, и может быть использовано в лазерной технологии в научных целях, например, для оптической накачки, диагностики плазмы, в спектроскопии, а также в терапевтических и хирургических медицинских установках.

Известен электроразрядный газовый лазер (1), в разрядной камере которого установлены две диэлектрических пластины, проходящие каждая вдоль соответствующей пары обращенных в одну сторону продольных краев электродов основного разряда и закрывающие каждая основной разрядный промежуток со стороны соответствующих продольных краев указанных электродов. С тыльной стороны диэлектрических пластин установлен вспомогательный электрод, соединенный с катодным электродом основного разряда.

В лазере предусматриваются специальные средства, обеспечивающие прокачку газа через указанный разрядный промежуток и обновление тем самым находящейся в нем газовой среды. Поскольку длина продольных краев электродов основного разряда намного превышает длину их поперечных краев, диэлектрические пластины, закрывая основной разрядный промежуток со стороны как одной, так и другой пары продольных краев электродов основного разряда, сильно затрудняют эффективную прокачку газа через основной разрядный промежуток. Это приводит к резкому снижению максимальной частоты, с которой можно производить разряды, а следовательно и максимальной частоты повторения импульсов лазерного излучения.

Для возможности увеличения частоты повторения импульсов лазера известна конструкция лазера (2), в котором диэлектрические пластины имеют изогнутую форму, отходя от анодного электрода основного разряда в сторону катодного электрода с образованием между последним и краями диэлектрических пластин небольших промежутков для прохода газа, прокачиваемого через основной разрядный промежуток. Вспомогательные электроды, проходящие с тыльной стороны диэлектрических пластин, соединены с катодным электродом основного разряда через сетчатые токоподводы, которые хотя и находятся на пути газа, проходящего через указанные промежутки между катодным электродом и диэлектрическими пластинами, благодаря сетчатой структуре не создают значительного сопротивления его прохождению. Такая конструкция облегчает прокачку газа через основной разрядный промежуток и тем самым позволяет повысить частоту повторения импульсов лазерного излучения.

Однако и в такой конструкции диэлектрические пластины закрывают основную часть пространства со стороны каждой пары продольных краев электродов основного разряда и продолжают, хотя и в несколько меньшей степени, затруднять эффективную прокачку газа через основной разрядный промежуток, снижая максимальную частоту импульсов лазерного излучения.

Задачей изобретения является создание электроразрядного импульсно-периодического газового лазера, в котором диэлектрические пластины, используемые для формирования коронного разряда, обеспечивающего предварительную ионизацию основного разрядного промежутка, были бы выполнены таким образом, чтобы при обеспечении высокой степени однородности ионизации разрядного промежутка облегчить эффективную прокачку газа через указанный промежуток и тем самым повысить максимальную частоту повторения импульсов лазерного излучения.

Эта задача решается тем, что в электроразрядном импульсно-периодическом газовом лазере с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением, содержащем разрядную камеру с двумя электродами основного разряда, разделенными разрядным промежутком, средства прокачки газа через разрядный промежуток и средства формирования коронного разряда, включающие две изогнутые диэлектрические пластины, отходящие соответственно от продольных краев анодного электрода основного разряда, и вспомогательные электроды, установленные с тыльной стороны диэлектрических пластин и соединенные через сетчатые токоподводы с катодным электродом основного разряда, каждая диэлектрическая пластина изогнута так, что ее первая часть, примыкающая к анодному электроду, имеет дугообразную форму и обращена выпуклостью в сторону разрядного промежутка, а вторая ее часть отходит от первой со стороны, противоположной анодному электроду, в направлении, противоположном разрядному промежутку, оставляя последний открытым со стороны продольных краев электродов основного разряда.

Как показали исследования, проведенные авторами настоящего изобретения, основная часть ультрафиолетового излучения формируется коронным разрядом на поверхности диэлектрической пластины вблизи анодного электрода, что, по-видимому, объясняется более высоким градиентом напряженности поля в этой области. Поэтому ультрафиолетовое излучение от коронного разряда на выпуклости дугообразной части диэлектрической пластины, примыкающей к анодному электроду, оказывается вполне достаточным для предварительной ионизации основного разрядного промежутка. Интенсивному облучению основного разрядного промежутка ультрафиолетовым излучением способствует также выпуклая форма обращенных друг к другу поверхностей электродов основного разряда, уменьшающая участок поверхности дугообразной части пластины, излучение от которого перекрывается анодным электродом. Наличие второй части диэлектрической пластины делает ее длину достаточно большой для устранения перехода коронного разряда в дуговой. В то же время указанная форма диэлектрических пластин, оставляя основной разрядный промежуток открытым со стороны каждой пары продольных краев электродов основного разряда, позволяет осуществлять быструю прокачку газа через указанный разрядный промежуток и тем самым повысить максимальную частоту лазерного излучения.

Каждая диэлектрическая пластина может иметь третью часть, отходящую от первой ее части со стороны анодного электрода.

Это позволяет исключить возможность возникновения на поверхности диэлектрических пластин дугового разряда вместо коронного в результате пробоя промежутка между вспомогательным и анодным электродами.

У каждого продольного края катодного электрода может быть установлен элемент, имеющий поверхность, обращенную к поверхности противолежащей диэлектрической пластины и отходящую от катодного электрода в направлении, противоположном разрядному промежутку, оставляя последний открытым со стороны продольных краев электродов основного разряда, причем расстояние между поверхностью элемента и обращенной к ней поверхностью противолежащей диэлектрической пластины тем больше, чем больше удаление от разрядного промежутка.

Использование с каждой продольной стороны основного разрядного промежутка элементов с такой формой поверхности позволяет образовать с каждой из указанных сторон канал для прокачиваемого газа, напоминающий по форме раструб и обеспечивающий наиболее оптимальные условия протекания потока указанного газа и тем самым наиболее быструю его прокачку через разрядный промежуток, что позволяет получить еще более высокую частоту импульсов лазерного излучения.

На чертеже схематически изображен электроразрядный импульсно-периодический газовый лазер, поперечный разрез.

Лазер содержит крышку 1, на которой закреплен анодный электрод 2 основного разряда, и расположенную напротив нее плату 3 крепления катодного электрода, на которой установлен катодный электрод 4 основного разряда. Электроды 2 и 4 имеют выпуклые поверхности (такие, как поверхность Чанга или Эрнста), которыми они обращены друг к другу, и разделены разрядным промежутком 5. Поперечные края крышки 1 и платы 3 соединены друг с другом торцевыми стенками (не показаны), образуя в промежутке между ними разрядную камеру.

От продольных краев анодного электрода 2 соответственно отходят две изогнутые диэлектрические пластины 6, закрепленные на внутренней поверхности крышки 1. Каждая пластина 6 имеет часть 6а, примыкающую к электроду 2 со стороны соответствующего продольного края, имеющую дугообразную форму и обращенную выпуклостью в сторону разрядного промежутка 5, и часть 6б, отходящую от части 6а со стороны, противоположной электроду 2, в направлении, противоположном разрядному промежутку 5, оставляя последний открытым со стороны продольных краев электродов 2 и 4. В соответствии с одним из вариантов выполнения каждая диэлектрическая пластина 6 содержит также часть 6в, отходящую от части 6а со стороны электрода 2.

Пластины 6 выполнены из материала, обладающего высокой электрической прочностью, большой диэлектрической проницаемостью и малым тангенсом угла потерь, например, из сапфира или керамики. Крышка 1 выполнена также из диэлектрического материала, например, оргстекла.

На плате 3 у каждого продольного края электрода 4 установлен элемент 7, имеющий поверхность, обращенную к поверхности противолежащей пластины 6 и отходящую от электрода 4 в направлении, противоположном разрядному промежутку 5, оставляя последний открытым со стороны продольных краев электродов 2 и 4. Расстояние между поверхностью каждого элемента 7 и обращенной к ней поверхностью противолежащей пластины 6 тем больше, чем больше удаление от разрядного промежутка 5.

С тыльной стороны каждой пластины 6 установлен вспомогательный электрод 8, соединенный с катодным электродом 4 через сетчатый токоподвод 9 и токоподвод 10, расположенный между платой 3 и элементами 7.

Разрядная камера помещена в газовый тракт 11, в котором имеются средства прокачки газа через разрядный промежуток 5. Эти средства представляют собой вентилятор 12, направляющий газ в промежуток между продольными краями электродов 2 и 4. В газовом тракте 11 установлено также устройство 13 охлаждения газа.

Лазер работает следующим образом.

При подаче на электродную систему импульса электрического напряжения от соответствующего генератора (не показан) на поверхностях частей 6а и 6б пластин 6, обращенных соответственно к разрядному промежутку 5 и элементам 7, возникает поверхностный коронный разряд. Большая напряженность электрического поля, необходимая для обеспечения возникновения эффективного коронного разряда, обеспечивается благодаря небольшой толщине пластин 6. В результате коронного разряда возникает ультрафиолетовое излучение. Основная часть этого излучения формируется коронным разрядом, возникающим на частях 6а пластин 6. Это обуславливается тем, что наибольший градиент напряженности электрического поля имеет место вблизи анодного электрода 2. Указанная часть ультрафиолетового излучения попадает в разрядный промежуток 5 между электродами 2 и 4, обеспечивая требуемую предварительную ионизацию этого промежутка, в котором происходит объемный разряд, возбуждающий активную среду лазера.

Попаданию ультрафиолетового излучения в разрядный промежуток 5 способствует выпуклая форма обращенных друг к другу поверхностей электродов 2 и 4, не мешающая большей части ультрафиолетового излучения от частей 6а пластин 6 попадать в разрядный промежуток 5. Выпуклая форма электродов 2 и 4 нужна для получения между ними достаточно однородного поля и является поэтому необходимым условием для получения диффузного разряда между этими электродами и нормальной работы лазера.

Благодаря наличию частей 6б поверхности пластин 6, обращенные к разрядному промежутку 5 и элементам 7, имеют достаточно большую протяженность для предотвращения возможности перехода коронного разряда на поверхности пластин 6 в дуговой. Части 6в пластин 6 предотвращают возможность возникновения пробоя по поверхности пластин между анодным электродом 2 и вспомогательными электродами 8.

В процессе подачи на электродную систему импульсов производится прокачка газа через разрядный промежуток 5 между электродами 2 и 4 с помощью вентилятора 12.

Благодаря тому, что части 6б пластин 6 отходят от частей 6а в направлении, противоположном разрядному промежутку 5, оставляя его открытым со стороны продольных краев электродов 2 и 4, эти пластины не мешают прохождению газового потока, прокачиваемого через разрядный промежуток 5. Это позволяет прокачивать газ с большой скоростью, что дает возможность уменьшить промежутки между импульсами напряжения, подаваемыми на электродную систему, а следовательно, и увеличить частоту повторения импульсов лазерного излучения.

Более того, благодаря тому, что обращенные друг к другу поверхности участков 6б пластин 6, с одной стороны, и обращенные к ним поверхности элементов 7, с другой стороны, расходятся в противоположные стороны по мере удаления от разрядного промежутка 5, как со стороны подачи газа в этот промежуток, так и со стороны его выхода из этого промежутка, образуются каналы, имеющие форму, напоминающую раструб. Такие каналы позволяют обеспечить для потоков подаваемого и выходящего газа наименьшее сопротивление как со стороны электродов 2 и 4, так и со стороны пластин 6, а также наименьшую турбулентность потока прокачиваемого газа. Это позволяет еще больше повысить скорость эффективной прокачки газа и частоту повторения импульсов лазерного излучения.

Использование: лазерная технология и медицина. Сущность изобретения: электроразрядный лазер с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением содержит разрядную камеру с анодным и катодным электродами, средства формирования коронного разряда, содержащие две электрические пластины, отходящие от продольных краев анодного электрода. Первая часть каждой из пластин, примыкающая к анодному электроду, имеет дугообразную форму и обращена выпуклостью в сторону разрядного промежутка. Вторая часть пластины отходит от первой со стороны, противоположной анодному электроду, в направлении, противоположном разрядному промежутку, оставляя его открытым со стороны продольных краев электродов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением, содержащий разрядную камеру с двумя электродами основного разряда, разделенными разрядным промежутком, средства прокачки газа через разрядный промежуток и средства формирования коронного разряда, включающие две изогнутые диэлектрические пластины, отходящие соответственно от продольных краев анодного электрода основного разряда, и вспомогательные электроды, установленные с тыльной стороны диэлектрических пластин и соединенные через сетчатые токоподводы с катодным электродом основного разряда, отличающийся тем, что каждая диэлектрическая пластина изогнута так, что ее первая часть, примыкающая первым своим краем к анодному электроду, имеет дугообразную форму и обращена выпуклостью в сторону разрядного промежутка, а вторая ее часть отходит от первой со стороны другого ее края в направлении удаления от разрядного промежутка. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что каждая диэлектрическая пластина имеет третью часть, отходящую от первого края первой части с тыльной стороны анодного электрода. 3. Лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что у каждого продольного края катодного электрода установлен элемент, имеющий поверхность, обращенную к поверхности противолежащей диэлектрической пластины и отходящую от катодного электрода в направлении удаления от разрядного промежутка, при этом поверхность указанного элемента и поверхность второй части противолежащей диэлектрической пластины выполнены расходящимися по мере удаления от разрядного промежутка.