ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано, в частности, для сварки, резки, спайки различных металлических и неметаллических материалов.

Известен СО₂-лазер [1], содержащий разрядную (плазменную) трубку, окно для циркулярно-поляризованного и линейно-поляризованного выходных лучей, панель дистанционного управления, индикаторную лампу и крышки.

Недостатком его является большой расход газа, низкий КПД, невысокая выходная мощность и то, что лазер работает на одной частоте.

Наиболее близким изобретению является электроразрядный газовый лазер [2] , содержащий по крайней мере одну пару разрядных трубок, расположенных на одной оптической оси резонатора с размещенными на краях каждой из них перпендикулярно оптической оси лазера катодами и анодами, выполненных из цветного металла, каждая пара газоразрядных трубок снабжена газовыми вводами и выводами, объединенными коллекторами, соединенными с газодинамическим контуром, включающим вентилятор и теплообменник.

Недостатком его является низкая выходная мощность и КПД, обусловленная невозможностью использования в данной конструкции захоложенных газов и различного состава и создания температурного поля внутри разрядной трубки.

Целью изобретения является повышение КПД и выходной мощности лазера при одновременном расширении частотного диапазона генерируемого лазерного излучения.

Цель достигается тем, что в известном электроразрядном лазере электроды разрядных трубок выполнены в виде половины полого тора диаметром D, образованной сечением тора плоскостью, перпендикулярной его оси симметрии с пристыкованными к краям в плоскости сечения наружными кольцевыми элементами, на поверхностях которых, обратных сфере половины тора, закреплены коаксиальные металлические цилиндры с продольным размером L, на цилиндрах на скользящей посадке установлены диэлектрические эластичные манжеты П-образной формы с центральным отверстием, имеющим диаметр, равный внешнему диаметру разрядной трубки, и кольцевым отверстием, ширина которого равна диаметру поперечного сечения тора, электроды установлены снаружи разрядных трубок на их концах, причем катоды размещены на близлежащих концах трубок пары и обращены друг к другу выпуклыми рабочими поверхностями, выполненными с пористой структурой с размерами пор d_пор, разрядные трубки в каждой паре установлены на расстоянии D, все разрядные трубки с электродами размещены в корпусе, выполненном в виде двух коаксиальных трубок из термоустойчивого диэлектрического материала так, что внутренняя трубка корпуса имеет плотный контакт с поверхностями эластичных манжет охлаждающих внешние металлические цилиндры, газовые вводы выполнены в стенках трубок корпуса между разрядными трубками в каждой паре, в полости между трубками корпуса установлены со сдвигом на 120^о друг относительно друга продольные ребра, образующие со стенками этих трубок три коллектора, два из которых выполнены сообщающимися внутри полости между трубками корпуса, во внутренней стенке одного из сообщающихся коллекторов выполнены отверстия диаметром D*, центры которых смещены от торцов трубок, обращенных к газовым вводам на расстояние l₁= L + на каждой разрядной трубке между электродами в плоскости, отстоящей от этого же торца на расстояние l₂ = L + D*, установлен диэлектрический диск, образующий совместно со стенками корпуса и разрядной трубки анодную и катодную полости, в каждой анодной полости в стенке разрядной трубки выполнены равномерно распределенные отверстия с суммарной площадью S_отв и плотностью m, оси которых направлены под острым углом к направлению прокачки рабочей среды через разрядную трубку, в этих же полостях во внутренней стенке второго из сообщающихся коллекторов выполнены отверстия, сообщающие этот коллектор с анодными полостями, при этом газовые выводы выполнены во внутренней трубке корпуса, ограничивающей третий коллектор, подсоединенный с газодинамическому контуру, и расположены у торцов каждой пары разрядных трубок, а величины D, L, d_пор, m и S_отв удовлетворяют следующим соотношениям:
D ≅ +r; L ≥ K₂
m·S_отв= ; d_пор≅ где r - радиус разрядной трубки, м;
Р - давление рабочей среды, мм рт.ст.;
I - ток в одной разрядной трубке, А;
U_к - катодное падение напряжения, В;
v_к - скорость отбора газа с рабочей поверхности электрода, м/с;
l_к - толщина катодного слоя, м;
W - внутренняя энергия материала металлических цилиндров, Дж/м³;
v - скорость потока рабочей среды, м/с;
C и σ - теплоемкость и проводимость рабочей среды, Дж/град, 1/Ом˙м;
Е - напряженность поля в разрядной трубке, В/м;
Т_∞ - температура в ядре потока рабочей среды, К;
Т_w - температура втекающего холодного газа, К;
δ _т - толщина пограничного слоя газа, м;
К₁ и К₂ - коэффициенты, определяемые составом рабочей среды;
К₁ = /Р², где - плотность тока на поверхности электрода, А/м²;
К₂ = l_к ˙Р.

На фиг. 1 изображена схема электроразрядного СО₂-лазера; на фиг. 2 - корпус лазера, поперечное сечение.

Схема содержит пористый электрод 1 с рабочей поверхностью в виде полого полутора (катод), металлические коаксиально расположенные цилиндры 2, диэлектрическую эластичную манжету 3, катодную полость 4, диэлектрический диск 5, отделяющий катодную полость от анодной, отверстие 6 ввода газа в анодную полость, анодную полость 7, полость 8 между трубками корпуса, пористый электрод 9 с рабочей поверхностью в виде полого полутора (анод), выходное зеркало резонатора 10-11, отверстия 11, находящиеся в анодной полости, коллектор 12, теплообменник 13, вентилятор 14, отверстие 15 для вывода газа из катодной полости в коллектор, отверстие 16 для вывода газа в другой коллектор, глухое зеркало резонатора 17, первую термоустойчивую диэлектрическую трубку 18, вторую термоустойчивую диэлектрическую трубку 19, газоразрядную трубку 20, поджигающие электроды 21, ребра 22, сообщающийся коллектор 23.

Лазер работает следующим образом.

В лазер подают захоложенный газ (СО₂ или СО, N₂He) под давлением Р = 10-30 Торр, прокачивают его со скоростью U_прок≈100 м/мин. При этом конвективное время пролета газа много меньше времени его релаксации.

На электроды 1 и 9 подают напряжение. Высоковольтным импульсом напряжения на поджигающих электродах 21 зажигают газовый разряд в газоразрядной трубке 20 между катодами 1 и анодами 9, которым накачивают активную среду лазера. Рабочий газ (активную среду) направляют из теплообменника 1 в промежуток между газоразрядными трубками 20. С поверхностями пористого катода 1, диаметр которого определяется из условия горения разряда в нормальных и аномальных режимах, характеризуемых нормальной и аномальной плотностью тока, отбирают часть газа, который попадает в канал, образованный коаксиальными металлическими цилиндрами 2, охваченными диэлектрической эластичной манжетой 3, длина которой определяется из баланса выделяемой в катодном слое электрической энергии и уносимой потоком газа с учетом нагрева металлических цилиндров. Далее газ попадает в катодную полость 4, образованную диэлектрическим диском 5, газоразрядной трубкой 20, первой термоустойчивой диэлектрической трубкой 18 и катодом 1, далее через отверстие 15 направляется в сообщающиеся коллекторы 23. Коллекторы 23 и 12 образованы поверхностями первой 18, второй 19 термоустойчивыми трубками и ребрами 22. Газ через отверстие 6 попадает в анодную полость 7, в которой часть газоразрядной трубки 20 покрыта периодически расположенными и под углом выполненными отверстиями 11, количество которых на единицу площади и площадь отверстия определяются балансом тепла, выделяемого в пограничном слое и уносимого вдуваемым потоком газа при условии полного перекрытия струй вдуваемого газа. На анодной полости 7 через эти отверстия и пористый анод 9 возвращается в основной нагретый в газоразрядной трубке поток газа, который через отверстия 16 попадает в коллектор 12, по которому газ возвращается в теплообменник 13. Вентилятор 14 обеспечивает движение газа по замкнутому контуру. Продукты разложения газа в газоразрядной трубке и приэлектродных областях вымораживаются в криогенном теплообменнике 13, далее цикл повторяется.

Положительный эффект при использовании изобретения заключается в повышении границы устойчивости разряда и удельного энерговклада.

Конструкция позволяет работать при пониженной температуре газа со смесями, содержащими СО₂ или СО-газ, т.е. получать излучение с длиной волны 10,6 мкм и 4,8-5,8 мкм. В итоге увеличивается КПД лазера и выходная мощность, уменьшается его расходимость.

Сущность изобретения: лазер содержит по крайней мере одну пару разрядных трубок, каждая из которых снабжена двумя электродами и подключена к коллекторам, соединенным с газодинамическим контуром, включающим вентилятор и теплообменник. Электроды установлены снаружи разрядных трубок на их концах и выполнены в виде половины полого тора. Разрядные трубки размещены в корпусе, выполненном в виде двух коаксиальных трубок из термоустойчивого диэлектрического материала. В полости между трубками установлены продольные ребра, образующие совместно со стенками трубок корпуса три коллектора, входящих в газодинамический контур для прокачки газовой смеси. 2 ил.

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий по крайней мере одну пару расположенных на оптической оси резонатора разрядных трубок, каждая из которых снабжена двумя электродами из цветного металла - анодом и катодом и газовыми вводами и выводами, подключенными к коллекторам, соединенным с газодинамическим контуром, включающим вентилятор и теплообменник, отличающийся тем, что электроды разрядных трубок выполнены в форме половины полого тора с диаметром D, образованной сечением тора плоскостью, перпендикулярной к его оси симметрии, с пристыкованными к краям в плоскости сечения наружными кольцевыми элементами, на поверхностях которых, обратных сфере половины тора, закреплены коаксиальные металлические цилиндры с продольным размером L, на цилиндрах на скользящей посадке установлены диэлектрические эластичные манжеты П-образной формы с центральным отверстием, имеющим диаметр, равный внешнему диаметру разрядной трубки, и кольцевым отверстием, ширина которого равна диаметру поперечного сечения тора, электроды установлены снаружи разрядных трубок на их концах, причем катоды размещены на близлежащих концах трубок пары и обращены друг к другу выпуклыми рабочими поверхностями, выполненными с пористой структурой с размерами пор d_пор, разрядные трубки в каждой паре установлены на расстоянии D, все разрядные трубки с электродами размещены в корпусе, выполненном в виде двух коаксиальных трубок из термоустойчивого диэлектрического материала, так, что внутренняя трубка корпуса имеет плотный контакт с поверхностями эластичных манжет, охватывающих внешние металлические цилиндры, газовые вводы выполнены в стенках трубок корпуса между разрядными трубками в каждой паре, в полости между трубками корпуса установлены со сдвигом на 120^o друг относительно друга продольные ребра, образующие со стенками этих трубок три коллектора, два из которых выполнены сообщающимися внутри полости между трубками корпуса, во внутренней стенке одного из сообщающихся коллекторов выполнены отверстия диаметром D^*, центры которых смещены от торцов трубок, обращенных к газовым вводам, на расстояние на каждой разрядной трубке между электродами в плоскости, отстоящей от этого же торца на расстояние l₂= L + D^* , установлен диэлектрический диск, образующий совместно со стенками корпуса и разрядной трубки анодную и катодную полости, в каждой анодной полости в стенке разрядной трубки выполнены равномерно распределенные отверстия с суммарной площадью S_отв и плотностью m, оси которых направлены под острым углом к направлению прокачки рабочей среды через разрядную трубку, в этих же полостях во внутренней стенке второго из сообщающихся коллекторов выполнены отверстия, сообщающие этот коллектор с анодными полостями, при этом газовые выводы выполнены во внутренней трубке корпуса, ограничивающей третий коллектор, подсоединенный к газодинамическому контуру, и расположены у торцов каждой пары разрядных трубок, а величины D, L, d_пор, m и S_отв удовлетворяют соотношениям
;
,
где r - радиус разрядной трубки, м;
P - давление рабочей среды, мм рт.ст.;
I - ток в одной разрядной трубке, А;
U_к - катодное падение напряжения, В;
V_к - скорость отбора газа с рабочей поверхности электрода, м/с;
l_к - толщина катодного слоя, м;
W - внутренняя энергия материала металлических цилиндров, Дж/м³;
V - скорость потока рабочей среды, м/с;
C и σ - теплоемкость и проводимость рабочей среды, Дж/град, 1/Ом · м;
E - напряженность поля в разрядной трубке, В/м;
T_∞ - температура в ядре потока рабочей среды, К;
T_w - температура втекающего холодного газа, К;
δ_т - толщина пограничного слоя газа, м;
K₁ и K₂ - коэффициенты, определяемые составом рабочей среды;
, где - плотность тока на поверхности электрода, А/м²;
K₂ = l_к · P.