ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/973 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к источникам лазерного излучения.

Плазменные лазеры являются перспективным направлением создания источников когерентного излучения в коротковолновой области видимого и вакуумного ультрафиолетового диапазонов длин волн [1] Особенностью плазменных лазеров является использование в качестве активной среды объемно-рекомбинирующей плазмы, которая характеризуется переохлаждением свободных электронов в сравнении с термодинамически равновесным состоянием. Такое переохлажденное состояние плазмы получают с помощью воздействия на газовую среду пучков ускоренных частиц, потоков жестких квантов, послесвечением электрического разряда, воздействием СВЧ-разряда. Большое число работ посвящено созданию одного из типов плазменных лазеров эксимерных лазеров (на галогенидах инертных газов) с накачкой пучком быстрых свободных электронов, например [2, 3 и 4] Получены рекордные значения выходной мощности излучения. Однако эти работы далеки от создания промышленных лазеров, так как для накачки пучком быстрых электронов требуются ускоряющие напряжения в несколько сотен кВ. Кроме того, имеются большие технологические трудности, в частности не решена проблема ввода пучка быстрых электронов из вакуумного объема ускорителя в газовую среду лазера.

Известны работы с плазменными лазерами с накачкой импульсным СВЧ-разрядом как в микросекундном диапазоне длительностей импульсов [5 и 6] так и в наносекундном диапазоне [7 и 8] При этом в [9] показано, что термодинамические состояния плазмы в пучковом и СВЧ-вариантах близки.

Источники СВЧ-излучения выпускаются промышленностью.

Из проведенного краткого обзора литературы следует, что создание промышленных вариантов мощных плазменных лазеров с СВЧ-возбуждением газовой смеси является актуальной задачей.

Для решения этой задачи необходимо обеспечить высокий КПД передачи СВЧ-энергии в плазму газового разряда, большой объем плазмы и хороший теплоотвод от разрядной области. Одним из аналогов предлагаемому техническому решению является устройство для возбуждения оптического излучения СВЧ-энергией [10] В этом устройстве спонтанное излучение плазмы должно происходить в протяженной диэлектрической трубке, окруженной камерой, непрозрачной для СВЧ и прозрачной для видимого излучения плазмы. Камеру с трубкой предполагают запитывать СВЧ-энергией через щели связи от двух СВЧ-генераторов.

Подобный подход характерен и для конструкции лазеров. В патенте [11] предлагается газовый лазер с электродинамической структурой (типа волновода) передачи СВЧ-энергии, охватывающей газовый объем и соединенный с этой структурой СВЧ-генератор.

В патенте [12] описан лазер с накачкой от направленных СВЧ-волн. Структура передачи СВЧ-энергии имеет суженную часть, в которую перпендикулярно структуре помещается диэлектрическая трубка. Газовый разряд зажигают в диэлектрической трубке или непосредственно в суженной части структуры. В варианте устройства [12] структура передачи СВЧ-энергии состоит из ряда параллельно расположенных волноводов, общей нагрузкой которых является диэлектрическая трубка. Причем для создания режима бегающей волны требуется соблюдение определенных фазовых сдвигов СВЧ-колебаний, запитывающих разные волноводы.

Изобретения [11, 12] оставляют без внимания вопрос об отражении СВЧ-энергии из структуры передачи СВЧ-энергии обратно в СВЧ-генератор и об утечке СВЧ-энергии из этой структуры через открытые торцы структуры или через торцы с отверстиями, необходимыми для размещения диэлектрической трубки. По существу не рассматривается вопрос о КПД передачи СВЧ-энергии в плазму газового разряда.

Высокий КПД передачи СВЧ-энергии в плазму газового разряда (70-99%) получен в работах [6-9 и 13] Конструктивные решения лазеров в этих работах сводятся к следующему.

Источник СВЧ-энергии запитывает волновод прямоугольного сечения П-образной формы, так что в волноводе реализуется режим бегущей волны. Кварцевая протяженная трубка диаметром 5-15 мм с газовой средой помещена по оси срединной части волновода 72х34, при этом концы ее с оптическими окнами выходят из волновода в местах сгиба волновода (торец волновода). Часть СВЧ-энергии поглощается газовой средой и в кварцевой трубке образуется плазма, которая является источником лазерного излучения. Непоглощенная часть СВЧ-энергии выходят из волновода.

Известная конструкция (прототип [13]) имеет следующие недостатки.

Объем активной среды в кварцевой трубке мал, существенно меньше объема срединной части волновода. Увеличению диаметра кварцевой трубки, т.е. повышению КПД использования объема волновода, препятствует просачивание СВЧ-энергии в увеличивающееся отверстие в торце волновода. При диаметре трубки, равной размеру узкой стенки волновода, СВЧ-энергия вообще может не пойти в срединную часть волновода.

Отвод тепла от кварцевой трубки ограничен конвекцией газа в волноводе, что не позволяет вложить значительную среднюю СВЧ-мощность в кварцевую трубку. Применение проточной охлаждающей трубку жидкости невозможно.

В кварцевой трубке образуется скип-слой, препятствующий проникновения СВЧ-поля внутрь трубки, что уменьшает объем активной среды.

Эти недостатки ограничивают выходную мощность излучения лазера.

Целью изобретения является увеличение выходной мощности излучения. Это достигается тем, что в лазере с СВЧ-возбуждением газовой смеси, содержащем волновод с боковыми ответвлениями для входа и выхода СВЧ-энергии через диэлектрические окна, к торцам волновода подсоединены устройства отражения СВЧ-энергии, оканчивающиеся оптическими окнами, причем герметичный объем, ограниченный стенками волновода, устройствами отражения, оптическими окнами и окнами входа и выхода СВЧ-энергии, заполнен газовой смесью, а отношение площади поперечного сечения устройства отражения "на просвет" к площади поперечного сечения волновода составляет не менее 20%
В вариантах исполнения в качестве устройства отражения применяют режекторный фильтр или запредельный волновод. Между режекторным фильтром и волноводом может быть установлено дополнительное оптическое окно, чтобы обеспечить в пространстве между основным и дополнительными окнами (т.е. для режекторного фильтра) газовую среду повышенной электропрочности.

На фиг. 1 представлен общий вид лазера с режекторными фильтрами; на фиг. 2 вариант расположения режекторного фильтра и оптического окна; на фиг. 3 лазер с запредельными волноводами; на фиг. 4 вариант параллельного соединения нескольких запредельных волноводов.

Лазер имеет диэлектрические окна 1 и 1', закрывающие вход и выход СВЧ-энергии 2 и 2', волновод 3, режекторные фильтры 4 и 4', оптические окна 5 и 5'. Эти элементы образуют вакуумплотную оболочку, которая заполнена газовой средой. Среда может прокачиваться (не показано). Режекторные фильтры имеют резонаторы 6 и 6' и решетки связи 7 и 7' с волноводом. В простейшем случае решетки связи отсутствуют. Режекторный фильтр может быть управляем, например, с помощью введенного в резонатор поршня. В простейшем случае фильтр неуправляем. Режекторные фильтры вакуумируются или наполняются инертным газом для повышения электрической прочности, если резонатор и решетку связи отделить вакуумноплотной диэлектрической перегородкой (не показана) от волновода. В случае необходимости могут быть установлены 2 и более фильтров с каждой стороны лазера (4'' и 4''' и т.д.). В простейшем случае устанавливается один фильтр.

Волновод 3 может быть выполнен с сужающейся по направлению распространения СВЧ-волны узкой стенкой для создания однородного протяженного СВЧ-разряда. Для облегчения зажигания разряда может быть применен волновод Н-образной формы.

Лазер (фиг. 2) имеет дополнительно к изображенному на фиг. 1 оптическое окно 8, что позволяет вакуумировать или наполнять газом объем между окнами 5 и 8. Электрическая прочность резонатора режекторного фильтра в этом случае может быть увеличена.

Лазер (фиг. 3) содержит вместо режекторных фильтров запредельные волноводы 9 и 9', которые имеют широкую стенку несколько меньшего размера, чем у основного волновода 3. Как вариант запредельный волновод может быть образован из основного волновода делением на секции с помощью одной или нескольких пластин 11. В этом случае имеет место параллельное соединение нескольких запредельных волноводов (фиг. 4).

Предлагаемая конструкция работает следующим образом.

Через вакуумплотное диэлектрическое окно 1 и вход 2 СВЧ-энергия в импульсном или непрерывном режимах поступает в канал волновода 3, где она поглощается газом и в волноводе образуется плазма. Непоглощенная плазмой часть СВЧ-энергии уходит через вакуумплотное диэлектрическое окно 1' в нагрузку (не показана). При рекомбинации плазмы возникает инверсия населенностей рабочей пары энергетических квантовых уровней атомов газа. Это приводит к усилению оптического излучения через оптические окна 5 и 5' при наличии зеркал резонатора 10 и 10'. Режекторные фильтры 4 и 4' заграждают распределение СВЧ-энергии в сторону оптических окон.

Для обеспечения работоспособности предлагаемой конструкции лазера необходимо одновременное выполнение ряда условий. Первое условие состоит в том, что КСВН образованных СВЧ-тройников (вход волновод устройство отражения) определяет величину отраженной СВЧ-энергии обратно в СВЧ-генератор. Для промышленного варианта удовлетворительным значением КСВн является 1,3. Экспериментально получен КСВн в диапазоне 1,1 1,2 в случае трех параллельно соединенных запредельных волноводов, образованных делением основного волновода на секции с помощью пластин.

Второе условие состоит в том, что устройство отражения СВЧ-энергии (режекторный фильтр, запредельный волновод) должно иметь ширину полосы заграждения частот больше или равной полосе частот генератора СВЧ-энергии. Это достигается в каждом конкретном случае подбором параметров устройства отражения и СВЧ-генератора. При этом затухание СВЧ-колебаний, вносимое устройством отражения СВЧ-энергии, должно быть по возможности большим, чтобы уменьшить потери СВЧ-энергии.

В случае использования одного режекторного фильтра получена полоса заграждения частот 20 МГц и затухание 20 дБ. В случае использования трех параллельно соединенных запредельных волноводов получена полоса заграждения частот более 1 ГГц и затухание 30 дБ при длине волноводов 10 см. В экспериментах применялся СВЧ-генератор на частоте 2,7 ГГЦ и с шириной полосы 10 МГЦ. Генератор имеет ширину полосы генераций много меньше полосы заграждения частот, обеспечиваемой тремя параллельно соединенными запредельными волноводами, и сравнимую с полосой заграждения частот, обеспечиваемой одним режекторным фильтром. Затухание, вносимое запредельными волноводами, пропорционально их длине и может быть сделано сколь угодно большим. Для практических целей достаточно иметь затухание 40-50 дБ. Затухание, вносимое режекторным фильтром, не столь велико и на практике понадобятся два или три фильтра.

Третьим условием является повышение КПД использования объема волновода (объема разряда). Если элементы конструкции устройства отражения частично перекрывают (загораживают) канал волновода, то КПД снижается. Отношение площади поперечного сечения устройства отражения "на просвет" к площади поперечного сечения волновода определяет КПД использования объема волновода. Если из объема волновода использовать объем, равный объему кварцевой трубки как в прототипе [9] то КПД будет менее 20% Следовательно, увеличение мощности излучения лазера можно ожидать при увеличении КПД свыше 20% (при прочих равных условиях возбуждения газовой смеси).

КПД использования объема волновода в случае применения режекторного фильтра 100% КПД использования объема волновода в случае применения трех параллельно соединенных запредельных волноводов 95-97%
Таким образом, изобретение позволяет обеспечить высокий КПД передачи СВЧ-энергии в плазму газового разряда, иметь большой объем активной среды и возможность отвода значительного количества тепла от разрядной области (с помощью жидкостного охлаждения).

Кроме того, СВЧ-энергию накачки можно подавать в волновод от двух СВЧ-генераторов как со входа, так и с выхода СВЧ-энергии, "развязав" СВЧ-генераторы ферритовыми вентилями.

Область использования: электронная техника, источники лазерного излучения. Сущность изобретения: предложен газовый лазер с СВЧ-возбуждением газовой смеси, содержащий волновод с боковыми отверстиями для входа и выхода СВЧ-энергии через диэлектрические окна, и к волноводу подсоединены устройства отражения СВЧ-энергии, оканчивающеся оптическими окнами, причем герметичный объем, ограниченный стенками волновод, устройствами отражения, оптическими окнами и окнами входа и выхода СВЧ-энергии заполнен газовой смесью, а отношение площади поперечного сечения устройства отражения "на просвет" к площади поперечного сечения волновода составляет не менее 20%. В вариантах исполнения в качестве устройства отражения применен режекторный фильтр в одном случае, а в другом случае - запредельный волновод. Изобретение позволяет увеличить выходную мощность газового лазера. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР с СВЧ-возбуждением газовой смеси, содержащий волновод с боковыми ответвлениями для входа и выхода СВЧ-энергии через диэлектрические окна, отличающийся тем, что к торцам волновода подсоединены устройства отражения СВЧ-энергии, оканчивающиеся оптическими окнами, причем герметичный объем, ограниченный стенками волновода, устройствами отражения, оптическими окнами и окнами входа и выхода СВЧ-энергии, заполнен газовой смесью, а отношение площади поперечного сечения устройства отражения "на просвет" к площади поперечного сечения волновода составляет не менее 20%
2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве устройства отражения установлен по крайней мере один режекторный фильтр. 3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что с каждой стороны волновода между ними и режекторным фильтром введено дополнительное оптическое окно, а объем между основным и дополнительным оптическими окнами заполнен газовой средой повышенной электропрочности. 4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве устройства отражения установлен по крайней мере один запредельный волновод.