ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к электроразрядным эксимерным и другим лазерам высокого давления ТЕ-типа с автоматической УФ-предионизацией.

Известен эксимерный KrF лазер с автоматической УФ предионизацией, в котором с целью уменьшения индуктивности разрядного контура конденсаторы, подключенные к электродам, размещены в лазерной камере [1]
Недостатком данного технического решения является то, что конденсаторы препятствуют продуву газовой смеси между электродами, что снижает частоту следования импульсов. Кроме того, конденсаторы необходимо защищать от воздействия агрессивной газовой среды лазера и УФ излучения разряда, что требует сложной технологии их изготовления.

Этих недостатков лишен эксимерный электроразрядный лазер, в котором конденсаторы, подключенные к электродам, расположены на наружной поверхности диэлектрического фланца, к которой подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом [2]
В указанном устройстве малая индуктивность разрядного контура достигается за счет минимизации толщины диэлектрического фланца при выравнивании внутреннего и наружного давлений.

Недостатком указанного устройства является сложность его эксплуатации. Прототипом изобретения является газовый лазер, содержащий импульсный источник питания, первый-К-ый токовводы, проходящие через диэлектрический фланец лазерной камеры, в которой размещены предионизатор, протяженные анод и катод, расположенный на диэлектрическом фланце, причем на наружной поверхности диэлектрического фланца выполнена полость, в которой размещены первый -n-конденсаторы [3]
Указанное устройство отличается простотой эксплуатации и обеспечивает работу газового лазера с автоматической предионизацией при высокой частоте следования импульсов.

В данном устройстве оси цилиндрических конденсаторов и оси штыревых токовводов расположены параллельно плоскости, включающей в себя продольные оси анода и катода, и перпендикулярны оси лазера. При этом разрядный контур охватывает наружную поверхность диэлектрического фланца, что не обеспечивает минимальной индуктивности разрядного контура. Кроме того, токовводы соединены с анодом через предионизатор, что уменьшает его эффективность, и обуславливает увеличение индуктивности разрядного контура из-за наличия обострения электрического поля на предионизаторе, а также из-за наличия собственной индуктивности предионизатора. Все это снижает КПД лазера. Недостатком является также малая механическая прочность диэлектрического фланца с полостью.

Технической задачей настоящего изобретения является уменьшение индуктивности разрядного контура, повышение КПД лазера и осуществление возможности увеличения энергии генерации и средней мощности излучения лазера.

Указанная задача может быть осуществлена устройством новой конструкции, содержащим импульсный источник питания, первый-К-ый токовводы, проходящие через диэлектрический фланец лазерной камеры, в которой размещены предионизатор, протяженные анод и катод, расположенный на диэлектрическом фланце, причем на наружной поверхности диэлектрического фланца выполнена полость, в которой размещены первый -n-конденсаторы.

Отличие устройства состоит в том, что наружный вывод каждого токоввода расположен в полости диэлектрического фланца, продольная ось каждого токоввода и ось каждого конденсатора, проходящая через его выводы, перпендикулярны плоскости, включающей в себя продольные оси катода и анода, анод подключен к импульсному источнику питания через предионизатор и соединен с первым-К-ым токовводами непосредственно, кроме того, на наружной поверхности диэлектрического фланца расположены опорные элементы. Отличие устройства может состоять также в том, что диэлектрический фланец содержит первое-L-ое ребра жесткости, расположенные в полости диэлектрического фланца, причем первое ребро жесткости размещено вдоль всей длины упомянутой полости симметрично по отношению к плоскости, включающей в себя продольные оси анода и катода, и второе-L-ое ребра жесткости диэлектрического фланца перпендикулярны первому ребру жесткости.

Поскольку перечисленные выше аналоги и прототип не содержат признаков, сходных с признаками, отличающими заявленное изобретение от прототипа и неизвестны технические решения в других областях, в которых эти признаки используются по данному назначению, то предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями. При расположении токовводов в указанном виде уменьшается площадь сечения разрядного контура вне лазерной камеры. За счет расположения конденсаторов в полости таким образом, что проходящие через их электрические выводы оси перпендикулярны плоскости, включающей продольные оси анода и катода, и за счет того что предионизатор расположен в цепи подключения источника питания к аноду, осуществляется более равномерное распределение электрического поля внутри лазерной камеры, уменьшается индуктивность соединения токовводов с анодом. Все это позволяет уменьшить разрядную индуктивность лазера и увеличить энерговклад в активный объем лазера без уменьшения его к.п.д. Это обеспечивает повышение энергии генерации газового лазера и средней мощности его излучения в импульсно-периодическом режиме. Кроме того, уменьшается энерговклад в предионизатор, что повышает КПД лазера и увеличивает время жизни газовой смеси лазера.

Введение опорных элементов, которые закреплены на наружной поверхности диэлектрического фланца, а также выполнение диэлектрического фланца с ребрами жесткости в полости на его наружной поверхности повышает механическую прочность диэлектрического фланца. Это позволяет, за счет уменьшения толщины диэлектрических стенок между газовой средой лазера и полостью, приблизить конденсаторы к зоне разряда между катодом и анодом, что также уменьшает разрядную индуктивность.

На фиг. 1 схематично изображен газовый лазер. Там же представлена электрическая схема лазера; на фиг. 2 газовый лазер, диэлектрический фланец, которого содержит ребра жесткости, расположенные в полости на наружной поверхности диэлектрического фланца.

Газовый лазер содержит импульсный источник питания 1, который в наиболее простом случае состоит из накопительного конденсатора с коммутатором и зарядной индуктивностью; предионизатор 2, выполненный, например, в виде вспомогательных искровых промежутков, к каждому из которых последовательно подсоединена развязывающая индуктивность; параллельно соединенные первый-n-ый конденсаторы 3, анод 4 и катод 5. Катод 5 расположен на диэлектрическом фланце 6, на наружной поверхности которого выполнена полость 7, в которой размещены конденсаторы 3, расположенные симметрично по отношению к плоскости, включающей продольные оси анода и катода, по обе стороны от нее. Параллельно соединенные конденсаторы 3 подключены к первому-К-ому токовводом 8, проходящим через диэлектрический фланец 6. Наружный вывод каждого токоввода 8 расположен в полости 7 диэлектрического фланца, причем продольная ось каждого токоввода 8 ось каждого конденсатора 3, проходящая через его выводы, перпендикулярны плоскости, включающей продольные оси катода 5 и анода 4. Анод 4 подключен через предионизатор 2 к заземленному выводу импульсного источника питания 1 и соединен токоведущими шинами 9 с первым-К-ым токовводами 8. Токоведущие шины 9, выполненные, например, из сетки параллельных друг другу проводников, позволяют проводить предварительное УФ-облучение предионизатором 2 промежутка между электродами 4, 5 и продув между ними газовой смеси лазера высокого давления, содержащейся в лазерной камере 10. На наружной поверхности диэлектрического фланца 6 закреплены опорные элементы 11 и 12. Опорные элементы 11 (фиг. 1) выполнены в виде ряда параллельных друг другу диэлектрических балок. Опорный элемент 12 выполнен в виде токоведущего бруса, к которому подсоединены высоковольтный вывод импульсного источника питания 1, конденсаторы 3 и катод 5. На фиг. 2 диэлектрический фланец 6 выполнен с ребрами жесткости 13 и 14, расположенными в полости диэлектрического фланца. Первое ребро жесткости 13 размещено вдоль всей длины полости симметрично относительно плоскости, включающей продольные оси катода и анода. Второе-L-ое ребра жесткости 14, перпендикулярны первому ребру жесткости 13. Конденсаторы 3 размещены в ячейках, образованных ребрами жесткости 13 и 14 в полости диэлектрического фланца. Опорный элемент 11 выполнен в виде дополнительного фланца.

Газовый лазер работает следующим образом.

При включении импульсного источника питания 1 происходит пробой вспомогательных искровых промежутков предионизатора 2 и производится импульсная зарядка конденсаторов 3. Вспомогательные искровые разряды предионизатора 2 служат источником УФ-излучения, которое осуществляет предионизацию активного объема лазера между анодом 4 и катодом 5. После того, как происходит перекачка энергии из импульсного источника питания 1 в конденсаторы 3, и напряжение между анодом 4 и катодом 5 достигает пробивного напряжения, происходит объемный разряд между ними. Энерговклад в разряд осуществляется по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему расположенные в полости 7 диэлектрического фланца 6 конденсаторы 3, токовводы 8, токоведущие шины 9, анод 4 и катод 5, что позволяет получить генерацию лазера. После того, как газовый поток, циркулирующий в лазерной камере 10, сменит газ между анодом и катодом, цикл работы лазера повторяется. Во время работы лазера опорные элементы 11 и 12, закрепленные на наружной поверхности диэлектрического фланца 6 увеличивают жесткость его стенок, отделяющих газовую среду лазера высокого давления от полости 7. Эту роль также осуществляют ребра жесткости диэлектрического фланца 13 и 14 (фиг. 2). Это позволяет уменьшить толщину стенок диэлектрического фланца 6 и приблизить конденсаторы 3 к электродам 4 и 5, что уменьшает разрядную индуктивность. Указанное взаимное расположение первого-L-ого ребер жесткости позволяет компактно разместить первый-n-ый конденсаторы в ячейках полости, образованных ребрами жесткости. Количество n конденсаторов 3 выбирается из следующего условия:
,
где E энергия, необходимая для ввода в объемный разряд между анодом и катодом при получении эффективной генерации лазера; C₁ емкость i-ого конденсатора; U напряжение до которого заряжаются первый-n-ый конденсаторы, равное напряжению пробоя между анодом и катодом. При равенстве емкостей C первого-n-конденсаторов из (1) следует
n [(2E)/(CU²)] (2)
Количество K токовводов выбирается из условия минимизации их индуктивности по отношению к индуктивности разрядного контура, включающего первый-n-ый конденсаторы 3, первый-k-ый токовводы 8, токоведущие шины 9, анод 4 и катод 5. Это условие обычно выполняется при количестве токовводов K≥14l токовводов/м (3), где l длина электродов 5 и 4.

Количество L ребер жесткости диэлектрического фланца и их поперечный размер выбираются с точки зрения удовлетворения двух условий: во-первых, обеспечение минимальной индуктивности разрядного контура за счет минимизации толщины стенки полости диэлектрического фланца и приближение первого-n-ого конденсаторов к разрядной зоне и, во-вторых, обеспечение механической прочности диэлектрического фланца. В опытном образце лазера, изготовленном по п. 2 формулы изобретения диэлектрический фланец был выполнен с первым ребром жесткости, расположенным вдоль всей полости длиной 0,8 м и тремя ребрами жесткости, расположенными вдоль всего поперечного размера полости диэлектрического фланца. Поперечные размеры ребер составляли 60 х 12 мм².

Поскольку в предложенном устройстве конденсаторы расположены так, что оси, проходящие через их выводы, перпендикулярны плоскости, включающей продольные оси катода и анода 5 и 4, улучшается распределение напряженности электрического поля на внутренней поверхности диэлектрического фланца 6. Непосредственное соединение анода 4 с токовводами 8 и его подключение к источнику питания 1 через предионизатор 2 позволяет разместить предионизатор, который обладает собственной индуктивности и локальными обострениями электрического поля, вне разрядного контура газового лазера. Все это дает возможность приблизить токоведущие шины 9 к катоду 5 и уменьшить индуктивность разрядного контура. Кроме того, работа предионизатора происходит только в процессе зарядки конденсаторов 3. В отличие от прототипа, исключается его работа в процессе разряда конденсаторов. Это повышает эффективность предионизатора, и соответственно лазера в целом, и уменьшает эрозию электродов предионизатора, что повышает время жизни газовой смеси лазера.

Введение токовводов 8 в лазерную камеру 10 так, что их продольные оси перпендикулярны плоскости, включающей продольные оси анода и катода, увеличивает по сравнению с прототипом расстояние по поверхности диэлектрического фланца между катодом 5 и токовводами 8 при том же расстоянии между катодом 5 и токоведущими шинами 9. Это позволяет уменьшить расстояние между катодом 5 и токоведущими шинами 9 без уменьшения электрической прочности внутренней поверхности диэлектрического фланца. Кроме того, размещение наружных выводов токовводов в полости диэлектрического фланца уменьшает индуктивность части разрядного контура, расположенной вне лазерной камеры - 10.

Выполнение газового лазера в предложенном виде существенно уменьшает индуктивность разрядного контура и повышает к.п.д. лазера кроме того, осуществляется возможность увеличить емкость конденсаторов и повысить энерговклад в активный объем лазера за время устойчивого горения объемного разряда, что увеличивает энергию генерацию лазера и среднюю мощность его излучения в импульсно-периодическом режиме при сохранении высокой эффективности лазера.

В опытном образце импульсно-периодического KrF лазера выполненного в соответствии с п.2 настоящего изобретения, получена средняя мощность излучения 150 Вт при частоте следования импульсов 500 Гц. КПД лазера составил 3,5 4,0 что превосходит эффективность аналогичных лазеров, работающих с высокой (>200 Гц) частотой следования импульсов.

Использование: квантовая электроника, электроразрядные лазеры ТЕ-типа. Сущность изобретения: газовый лазер содержит импульсный источник питания, первый-К-ый токоввод, проходящие через диэлектрический фланец лазерной камеры, в которой размещены предионизатор, протяженные анод и катод, расположенный на диэлектрическом фланце, причем на наружной поверхности фланца выполнена полость, в которой размещены первый-n-конденсаторы. С целью уменьшения индуктивности разрядного контура, осуществления возможности увеличения энергии генерации и средней мощности излучения лазера и наружный вывод каждого токоввода расположен в полости диэлектрического фланца, ось каждого токоввода и ось каждого конденсатора, проходящая через его выводы, перпендикулярны плоскости, включающей в себя продольные оси катода и анода, анод подключен к импульсному источнику питания через предионизатор и соединен с первым-К-ым токовводами непосредственно, кроме того, на наружной поверхности диэлектрического фланца расположены опорные элементы. Диэлектрический фланец может содержать первое-L-ое ребра жесткости, расположенные в полости выполненной на его наружной поверхности. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Газовый лазер, содержащий импульсный источник питания, первый К-й токовводы, проходящие через диэлектрический фланец лазерной камеры, в которой размещены предыонизатор, протяженные анод и катод, расположенный на диэлектрическом фланце, причем на наружной поверхности диэлектрического фланца выполнена полость, в которой размещены первый n-й конденсаторы, отличающийся тем, что наружный вывод каждого токоввода расположен в полости диэлектрического фланца, продольная ось каждого токоввода и ось каждого конденсатора, проходящая через его выводы, перпендикулярны плоскости, включающей в себя продольные оси катода и анода, анод подключен к импульсному источнику питания через предыонизатор и соединен с первым К-м токовводами непосредственно, кроме того, на наружной поверхности диэлектрического фланца расположены опорные элементы. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что диэлектрический фланец содержит первое L-е ребра жесткости, расположенные в полости диэлектрического фланца, причем первое ребро жесткости размещено вдоль всей длины упомянутой полости симметрично по отношению к плоскости, включающей в себя продольные оси анода и катода, второе L-е ребра жесткости диэлектрического фланца перпендикулярны первому ребру жесткости.