ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике, технике возбуждения объемных газовых разрядов и может использоваться при создании газовых лазеров.

Известен электроразрядный лазер, способный эффективно функционировать при достаточно высоком давлении активной среды. Лазер содержит кювету с системой электродов для возбуждения разряда, источники питания, систему предионизации, резонатор [1]
Недостатком лазера является малая скорость поступления энергии в активную среду, а значит низкое давление активной среды и генерируемая мощность излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является электроразрядный лазер, содержащий кювету с двумя основными электродами, один из которых заземлен, и установленным между ними промежуточным электродом, подключенным к основным электродам через коммутатор и конденсаторы, резонатор, систему предионизации. Основные электроды подключены также к накопительному конденсатору и источнику постоянного напряжения. Конденсаторы, подключенные к промежуточному электроду, имеют емкость намного меньше, чем накопительный конденсатор. В исходном состоянии все конденсаторы заряжены, на основные электроды подано напряжение ниже напряжения статического пробоя. После включения коммутатора и подачи напряжения на промежуточный и основные электроды между ними зажигаются кратковременные самостоятельные разряды, с помощью которых задается концентрация плазмы. В дальнейшем энергия в разряд поступает от источника постоянного напряжения через накопительный конденсатор. Мощностью и частотой самостоятельного разряда задается также мощность несамостоятельного разряда, обеспечивающего ввод основной доли энергии в газ и генерацию излучения [2]
Недостатком известного устройства является узкий диапазон работы, обусловленный низкой напряженностью электрического поля, которая реализуется между основными электродами при разряде накопительного конденсатора. Дело в том, что в действующих установках с объемом активной среды ≈1 л статические пробивные напряжения составляют менее 0,3 от напряжений статического пробоя, реализующихся в малых объемах с однородным электрическим полем (например, между электродами, выполненными в соответствии с профилями Роговского, Брюса и т. д. ). Ситуация усугубляется по мере повышения давления. При заполнении кюветы эксимерными смесями для реализации лазеров на молекулах ХеCl, KrF, AnF и т.д. Очевидно, что таких Е/р недостаточно по следующим причинам: низкая скорость ввода энергии в газ, а это значит большая длительность разряда, что ведет к снижению диапазона энергий, вводимых в газ, что, в свою очередь, уменьшает диапазон извлекаемых энергий; низкая эффективность ввода энергии в газ, а следовательно, меньший КПД лазера из-за низкого начального значения напряженности поля, реализующегося между профилированными электродами (например, в эксимерных средах оптимальные значения напряженности поля близки к напряженности поля статического пробоя в однородных полях).

Целью изобретения является увеличение энергии излучения.

Указанная цель достигается тем, что в электроразрядный лазер, содержащий кювету с двумя основными электродами, один из которых заземлен, и установленным между ними промежуточным электродом, подключенным к основным электродам через высоковольтные генераторы и систему предионизации, источник питания с накопительным конденсатором, резонатор, введены один коммутатор или несколько параллельных друг другу коммутаторов, подключенных между основным потенциальным электродом и источником питания с накопительным конденсатором, делитель напряжения, одно плечо которого подключено к выводам коммутатора, а другое к основным электродам, а промежуточный электрод установлен таким образом, чтобы выполнялось соотношение
где U_а напряжение, подаваемое на основные электроды;
U_п напряжение, подаваемое на промежуточный и основные электроды;
d расстояние между основными электродами;
d₁ расстояние между промежуточным и основным электродами.

В заявляемом решении новые отличительные признаки присоединение основного электрода к выводу источника питания через коммутатор, запараллеленный с плечом делителя напряжения, второе плечо которого связывает электроды основного промежутка и установка промежуточного электрода в соответствии с предлагаемым соотношением в технике получения объемных разрядов в электроразрядных лазерах неизвестны и позволяют получить новый положительный эффект. Эффект обусловлен тем, что после зажигания разрядов между промежуточным и основными электродами его сопротивлением шунтируется плечо делителя напряжения, возрастает напряжение на коммутаторе и вызывает его срабатывание, после чего напряжение на основных электродах возрастает в К раз (К коэффициент деления делителя напряжения). В этом случае объемный разряд в основном промежутке, осуществляющий накачку лазера, выполняет роль устройства поджигающего коммутатор. Такой подход позволяет автоматически зажигать параллельно любое количество коммутаторов и обеспечивать минимальную индуктивность цепи разряда и увеличение напряжения на основных электродах в К раз. Выбор межэлектродных расстояний, исходя из приложенного соотношения, позволяет обеспечить одинаковость напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке для любого типа лазера, а не только для СО₂-лазера, как в прототипе.

На чертеже показана блок-схема электроразрядного лазера.

Лазер содержит систему электродов 1 и 2 предварительной ионизации, основной электрод 3. Электроды 1 системы предварительной ионизации, например, в виде ряда острий подключены к промежуточному электроду 4, а электроды 2 такого же типа, как электроды 1, подключены к основным электродам 3 и 5 через развязывающий элемент 6 (конденсатор, резонатор, полупроводник и т.д.). Лазер содержит также высоковольтные генераторы 7 и 8, источник 9 питания, коммутатор 10, одно плечо 11 делителя напряжения и другое плечо 12. Основные потенциальный и заземленный электроды 3 и 5 подключены к источнику 9 питания с накопительным конденсатором 13, а промежуточный электрод 4 размещен между основными электродами 3 и 5 и подключен к ним через высоковольтные генераторы 7 и 8. Коммутатор 10 включен между основным потенциальным электродом 3 и источником 9 питания с накопительным конденсатором 13 (при подключении параллельно нескольких коммутаторов 10, каждому коммутатору должен соответствовать элемент делителя напряжения и индивидуальный конденсатор 13). Одно плечо 11 делителя напряжения подключено к выводам коммутатора 10, а другое плечо 12 между основными электродами 3 и 5. Элементами делителя напряжения могут быть резисторы или конденсаторы.

Межэлектродное расстояние между основным и промежуточным электродами d₁ выбирается из условия

При выполнении этого условия, связывающего основные параметры межэлектродного промежутка и источников его питания, достигается наилучшая однородность горения разряда в рабочем объеме любого газового лазера независимо от состава рабочей среды.

Коэффициент деления К делителя напряжения выбирается из условия самопробоя коммутатора 10 при зажигании разрядов между электродами 3-4 и 4-5. Для этого необходимо, чтобы выполнялись следующие условия. При использовании резисторов сопротивление плазмы должно быть существенно меньше сопротивления резистора, а при использовании конденсаторов емкость элемента должна быть такой, чтобы успевать разряжаться через сопротивление плазмы в течение действия высоковольтных импульсов.

Лазер работает следующим образом.

В исходном состоянии конденсатор 13 с источника питания заряжен до напряжения КU_а, а к основным электродам 3 и 5 приложено напряжение U_а. Элементы 6 не заряжены. После срабатывания импульсных высоковольтных генераторов 7 и 8 напряжение U_п подается на электроды 4-5 и промежутки между электродами 2 и 1. На фронте высоковольтного импульса в промежутках между электродами 1, 2 зажигается вспомогательный разряд, производящий предварительную ионизацию в объемах между электродами 3-4 и 4-5, током которого заряжаются конденсаторы 6. По достижении пробивного напряжения в промежутках между электродами 3-4 и 4-5 возбуждается объемный разряд. Напряжение на игле 12 делителя напряжения уменьшается (если в качестве такого элемента выбран резистор, то он шунтируется разрядом, если конденсатор, то он разряжается через сопротивление разряда в промежутке 3-5), а на плече 11 делителя возрастает. Такое перераспределение напряжения между плечами делителя вызывает срабатывание коммутатора 10 и полное напряжение источника 9 питания (КU_а) прикладывается к промежутку между электродами 3-5. Таких коммутаторов может быть установлено параллельно нужное количество. При этом число коммутируемых емкостей 13 и делителей напряжения должно быть столько же. Такая схема их включения обеспечивает их параллельный запуск с высокой эффективностью и точностью. После пробоя коммутатор 10 и конденсатор 13 начинают разряжаться через сопротивление плазмы в промежутке между электродами 3 и 5, обеспечивая ввод основной доли энергии в газ и накачку лазера. Можно выделить два характерных крайних режима работы лазера. Первый режим напряжения U_п>>U_a, концентрация плазмы задается высоковольтными генераторами 7 и 8, длительность импульса напряжения генераторов 7 и 8 короткая, основная доля энергии вводится в газ после срабатывания коммутаторов 10 от источника 9 на стадии распада плазмы. Второй режим: самостоятельным разрядом в промежутках между электродами 3, 4 и 4,5, возбуждаемым с помощью генераторов 7 и 8, осуществляется предварительная ионизация рабочей среды с высокой начальной концентрацией заряженных частиц. Основная доля энергии в газ вводится после срабатывания коммутаторов 10 от источника 9 на стадии ионизационного размножения электронов и распада плазмы. В этом случае самостоятельный разряд, производимый высоковольтными генераторами, осуществляет роль высокоинтенсивного предионизатора и запускающего коммутатора 10 устройства одновременно.

Предложенный лазер обладает более широким диапазоном работы по Е/р. Это, в свою очередь, может привести к расширению диапазона давлений активной среды, повышения вводимой, а значит и извлекаемой энергии, увеличению эффективности лазера.

Использование: изобретение относится к квантовой электронике и может использоваться при создании газовых лазеров. Лазер содержит систему электродов предварительной ионизации, потенциальный и заземленный основные электроды, промежуточный электрод, установленный между основными электродами и подключенный к ним через высоковольтные генераторы, источник питания с накопительным конденсатором, к которому подключены основные электроды, коммутатор, включенный между основным потенциальным электродом и источником питания с накопительным конденсатором, делитель напряжения, одно плечо которого подключено к выводам коммутатора, а другое - к основным электродам. 1 ил.

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий кювету с основными электродами, один из которых заземлен, и установленным между ними промежуточным электродом, подключенным к основным электродам через высоковольтные генераторы и соединенные последовательно электроды системы предыонизации и развязывающий элемент, а также источник питания с накопительным конденсатором, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергии излучения, в него введены коммутатор или несколько параллельных друг другу коммутаторов, включенных между основным электродом и источником питания с накопительным конденсатором, а также делитель напряжения, одно плечо которого подключено к выводам коммутаторов, а второе к основным электродам.