ПРОТОЧНЫЙ CO -ЛАЗЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в мощных проточных газовых лазерах.

Известен проточный газовый лазер [1] который содержит размещенные в разрядной камере металлические электроды с покрытыми диэлектриком рабочими поверхностями. Электроды подключены к источнику переменного напряжения, что позволяет возбуждать в камере высокочастотный емкостный разряд.

Недостатком данного лазера является наличие диэлектрика в разрядной камере, что снижает надежность и приводит к необходимости повышения напряжения на электродах.

Этот недостаток устранен в известном проточном газовом лазере [2] в котором металлические электроды не имеют диэлектрического покрытия и подключены к источнику переменного высокочастотного напряжения. Ось оптического резонатора проходит между электродами поперек направления потока газа.

Недостатком данного лазера является уменьшение его мощности, так как устранение диэлектрического покрытия приводит к снижению устойчивости разряда и уменьшению удельного энерговклада.

Целью изобретения является повышение мощности лазера путем увеличения поперечного сечения потока активной среды, повышения рабочего давления и удельного энерговклада в разряд.

Цель достигается тем, что в проточном СО₂-лазере, содержащем размещенную в разрядной камере по крайней мере одну пару металлических электродов, подключенных к источнику высокочастотного переменного напряжения с частотой f, и оптический резонатор, ось которого ориентирована поперек направления потока газовой смеси в разрядной камере, источник высокочастотного переменного напряжения выполнен так, что f превышает 40 МГц, каждый электрод выполнен в виде набора основных пластин, электрически соединенных между собой и расположенных параллельно друг другу, электроды установлены так, что в каждой паре электродов основные пластины одного электрода расположены посредине между основными пластинами другого электрода параллельно им и направлению потока газовой смеси, размеры электродов удовлетворяют соотношениям
< H < (1)
L < (2) где Н расстояние между соседними пластинами в паре электродов;
Р парциальное давление молекулярных компонент в газовой смеси лазера;
L протяженность пары электродов вдоль ближайшего к ней участка оси оптического резонатора;
f в мегагерцах;
а 10² мм^.МГц;
b 10⁶ мм^3/2.(мм рт.ст.) ^1/2.МГц;
с 5^.10⁴ мм^.(мм рт.ст.).МГц, при этом электроды размещены в разрядной камере так, что каждая плоскость, проходящая через нижние по потоку кромки основных пластин пары электродов, параллельна ближайшему к ней участку оси резонатора и расположена по потоку выше его на расстоянии, не превышающем uτ где u скорость потока верхнего лазерного уровня при рабочих параметрах газовой смеси лазера; τ время релаксации верхнего лазерного уровня при рабочих параметрах газовой смеси лазера.

В этом лазере в основных пластинах могут быть равномерно выполнены отверстия с диаметром d, удовлетворяющим соотношению:
< d < 4h где h толщина основных пластин.

В лазер могут быть введены дополнительные пластины, при этом между двумя соседними основными пластинами параллельно им установлена по крайней мере одна дополнительная пластина, электрически изолированная от всех остальных пластин, а размеры дополнительных пластин выбраны из условия предотвращения горения разряда в обход дополнительных пластин.

Выполнение электродов в виде наборов пластин, удовлетворяющих соотношениям (1,2), позволяет увеличить общее поперечное сечение потока, поднять рабочее давление и энерговклад в разряд. Это связано с тем, что предельный удельный энерговклад и устойчивость разряда возрастают с уменьшением межэлектродного расстояния.

Экспериментально установлено, что для СО₂-лазера зазор между пластинами электродов Н не должен превышать с/Pf. При выполнении этого соотношения разряд между пластинами стабилизируется емкостными слоями, формирующимися у поверхностей пластин, и сохраняет однородность при максимальных для СО₂-лазеров удельных энерговкладах, если частота источника переменного напряжения превышает 40 МГц. При меньших частотах и рабочих энерговкладах возможен пробой емкостных слоев и переход разряда в сильноточную форму с нарушением его однородности и разрушением электродов.

Расстояние между пластинами не должно быть меньше двойной толщины емкостных приэлектродных слоев, которая для ВЧ-разрядов в характерных для СО₂-лазеров рабочих смесях может быть представлена как а/f.

Размеры набора пластин электродов L в направлении поперек потока выбираются из условия горения разряда во всех зазорах между пластинами электродов и обеспечения при этом достаточно равномерного энерговклада по площади электрода. Экспериментально установлено, что при рабочих энерговкладах в смесях СО₂-лазера величина L не должна превышать 10⁶/f(PH)^1/2. Это связано с тем, что с ростом частоты f сужается диапазон значений напряжения, при котором возможно свободное горение разряда. Поскольку по набору пластин ВЧ-напряжение неизбежно распределено неоднородно, то необходим подбор Р, Н и L при данной частоте f, при которых обеспечивается горение разряда во всех межэлектродных зазорах.

Расположение резонатора по потоку ниже электродов позволяет получить генерацию с потока газа, возбужденного во всех разрядных промежутках. При этом в лазере отсутствуют элементы, которые ограничивают апертуру резонатора и создают блики, ухудшающие качество излучения.

Если в пластинах выполнены отверстия, то повышается надежность одновременного возбуждения разряда во всех образованных пластинами промежутках. При выполнении условия d > a/f боковая поверхность пластин в отверстиях участвует в процессе возбуждения разряда. Отверстия заполняются плазмой, что инициирует пробой соседних разрядных промежутков при первоначальном пробое одного. В потоке в отверстиях образуются заполнение плазмой застойные зоны, что предотвращает сдувание разряда. При d < 4h не уменьшается рабочая поверхность пластин. В противном случае выполнение отверстий в пластинах ведет к увеличению падения напряжения на слое и к повышению опасности его пробоя.

Если между основными пластинами установлены дополнительные, то на их поверхностях в разряде также образуются емкостные слои. Поэтому введение дополнительных пластин приводит к увеличению суммарного падению напряжения на слоях и к увеличению их стабилизирующего воздействия, что позволяет увеличить удельный и общий энерговклад.

На фиг.1 показаны электроды лазера и расположение относительно них зеркал оптического резонатора; на фиг.2 то же, при использовании нескольких пар электродов, установленных последовательно по потоку; на фиг.3 изображены электроды с дополнительными пластинами.

Лазер содержит (фиг.1) по крайней мере одну пару металлических электродов, один из которых выполнен в виде набора основных пластин 1, другой основных пластин 2. Эти пластины могут быть закреплены на трубках 3 с каналами для протока хладагента и отделены друг от друга дистанционирующими шайбами 4. В пластинах 1 и 2 могут быть равномерно выполнены отверстия. Число отверстий в пластинах и их шаг выбираются с учетом необходимой механической прочности и электрической проводимости пластин. Электроды подключены к источнику 6 ВЧ-напряжения. Глухое 7 и выходное 8 зеркала резонатора установлены так, что его ось проходит по потоку ниже пластин поперек направления потока. При использовании в лазере нескольких установленных последовательно по потоку пар электродов (фиг.2) применяется составной резонатор, дополненный поворотными зеркалами 9. Между основными пластинами 1 и 2 могут быть установлены дополнительные пластины 10 (фиг.3). Они могут выполняться как из диэлектрика, так и из электропроводящего материала. В последнем случае они должны устанавливаться при помощи диэлектрических крепежных элементов (не показаны) и быть электрически изолированными от основных пластин и других электропроводящих элементов лазера. Размеры дополнительных пластин в перпендикулярном току направлении должны превышать размеры основных пластин настолько, чтобы падение напряжения на плазме по пути обхода дополнительной пластины превышало падение напряжения на слоях у этой пластины. В этом случае исключается зажигание разряда в обход дополнительных пластин. Так как падение напряжения на слое зависит от плотности тока, то размеры пластин 10 должны выбираться с учетом наиболее напряженных режимов.

Лазер работает следующим образом.

В разрядной камере создается поток рабочего газа. Через трубки 3 обеспечивается проток хладагента, например, воды. На электроды 1, 2 подается ВЧ-напряжение от генератора 6. При этом между основными и дополнительными пластинами возбуждается ВЧ-разряд и в рабочем газе, протекающем между пластинами, возникает инверсная заселенность. Генерация лазерного излучения возникает в оптическом резонаторе, образованном зеркалами 7, 8 и отражателями 9.

В данном лазере можно увеличить поперечное сечение потока активной среды наращиванием длины пластин электродов в направлении поперек оси резонатора и направления потока. Повышенная устойчивость ВЧ-разряда при малых межэлектродных зазорах позволяет поднять удельный энерговклад и рабочее давление газовой смеси. Это приводит к повышению мощности лазера.

Использование: в приборах квантовой электроники, в частности в технологических лазерах. Сущность изобретения: в проточном CO₂ - лазере, содержащем разрядную камеру с металлическими электродами и оптический резонатор, ось которого ориентирована поперек направления потока газовой смеси в разрядной камере, каждый электрод выполнен в виде набора основных пластин, электрически соединенных между собой и расположенных параллельно друг другу, установленных так, что в каждой паре электродов основные пластины одного электрода расположены посредине между основными пластинами другого электрода по направлению потока газовой смеси при определенном соотношении размеров электродов, а плоскость, проходящая через нижние по потоку кромки основных пластин пары электродов, параллельна оси резонатора и расположена по потоку выше него на определенном расстоянии, при этом электроды подключены к источнику высокочастотного переменного напряжения с частотой, превышающей 40 МГц, в оновных пластинах электродов могут быть равномерно выполнены отверстия диаметром, связанным с их толщиной расчетным соотношением, кроме того, между двумя соседними основными пластинами может быть установлена по крайней мере одна дополнительная параллельная пластина, электрически изолированная от всех остальных пластин, с размерами, выбранными из условия предотвращения горения разряда в обход дополнительных пластин. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ПРОТОЧНЫЙ CO₂ -ЛАЗЕР, содержащий размещенную в разрядной камере по крайней мере одну пару металлических электродов, подключенных к источнику высокочастотного переменного напряжения с частотой f, и оптический резонатор, ось которого ориентирована поперек направления потока газовой смеси в разрядной камере, отличающийся тем, что источник высокочастотного переменного напряжения выполнен так, что f > 40 МГц, каждый электрод выполнен в виде набора основных пластин, электрически соединенных между собой и расположенных параллельно одна другой, электроды установлены так, что в каждой паре электродов основные пластины одного электрода расположены посередине между основными пластинами другого электрода параллельно им и направлению потока газовой смеси, размеры электродов удовлетворяют соотношениям


где H расстояние между соседними пластинами в паре электродов;
P парциальное давление молекулярных компонент в газовой смеси лазера;
L протяженность пары электродов вдоль ближайшего к ней участка оси оптического резонатора;
a 10² · мм · МГц;
b 10⁶ · мм^3/2 · (мм рт.ст.)^1/2 · МГц;
c 5 · 10⁴ · мм · МГц · мм рт.ст.

при этом электроды размещены в разрядной камере так, что плоскость, проходящая через нижние по потоку кромки основных пластин пары электродов, параллельна ближайшему к ней участку оси резонатора и расположена по потоку выше его на расстоянии, не превышающем vτ, где v скорость потока газа в разрядной камере, τ время релаксации верхнего лазерного уровня при рабочих параметрах газовой смеси лазера.

2. CO₂-лазер по п.1, отличающийся тем, что в основных пластинах равномерно выполнены отверстия диаметром d, удовлетворяющим соотношениям

где h толщина основных пластин.