ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫМ РАЗРЯДОМ И ПРОДОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ПРОКАЧКИ ГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 1996 года по МПК H01S3/977 

Изобретение относится к СО₂-лазерам с замкнутым контуром прокачки рабочей среды и ионизацией газа электронным пучком, предназначенным для использования в металлообрабатывающей, горнодобывающей и других отраслях промышленности.

Известен электроионизационный лазер с поперечной прокачкой газовой смеси [Пат. США 3702973, Н01S3/00, выдан 14.11.75 г] В газоразрядной области лазера установлены катод и анод прямоугольной формы, между которыми прокачивается газовая смесь N2-CO2-He. Перпендикулярно потоку газа в межэлектродное пространство со стороны катода, имеющего сетчатую структуру, направлен пучок электронов, а оптическая ось резонатора перпендикулярна пучку электронов и потоку газа.

Недостатками конструкции электроионизационных лазеров с поперечным разрядом являются:
наличие протяженных приэлектродных перегретых погранслоев рабочей смеси из-за прокачки смеси вдоль анодного и катодного электродов;
наличие периферийных участков энерговклада вдоль потока газа, а также на входе и выходе из газоразрядной области вследствие рассеяния ионизирующего электронного пучка на выводном устройстве источника электронов в газе;
повышенные турбулентные пульсации плотности газа и показателя преломления вследствие требуемой для такой схемы разряда повышенной скорости газа;
расплывание тепловой пробки расширившегося газа вдоль потока за счет турбулентности, диффузии и теплопроводности при работе в импульсно-периодическом режиме;
высокая мощность, требуемая для системы прокачки газовой смеси;
повышенные линейные размеры зоны энерговклада вдоль потока.

От вышеуказанных недостатков свободна продольная схема разряда. Известен электроионизационный лазер [Joder M.J. et al, Theoretical and Experimental Performance of High-Power-Sustained Electron Laser. Journal of Applied Physics, 1978, vol. 49, N 6] содержащий расположенные в газоразрядной камере катодный и анодные электроды, выполненные в виде решеток. Поток газа направлен в межэлектродное пространство со стороны анода через электроды, т.е. по направлению электрического поля. В противоположном направлении со стороны катода в это пространство подан пучок электронов через выводное устройство источника ионизации. Оптическая ось резонатора в таком лазере направлена перпендикулярно потоку газа и электрическому полю.

Приведенная конструкция не обеспечивает достаточной однородности газового потока, вносит ограничения по напряженности электрического поля, а также не обеспечивает необходимой однородности электрического разряда непосредственно в зоне разряда вследствие удаленности межэлектродных стенок газоразрядной камеры.

Изобретение направлено на решение задачи создания промышленной лазерной установки с продольной схемой разряда при формировании однородного профиля скорости газового потока в зоне разряда и пространственном ограничении зоны ионизации газа, т.е. на создание лазерной установки с повышенной однородностью и устойчивостью разряда.

В электроионизационном газовом лазере с несамостоятельным разрядом и продольной конфигурацией прокачки газовой смеси, содержащем расположенные в газоразрядной камере катодный и анодный электроды, выполненные в виде решеток, на которые поток газа направлен по направлению электрического поля между электродами, пучок электронов направлен противоположно направлению электрического поля, а оптическая ось резонатора направлена перпендикулярно потоку газа и электрическому полю, указанная задача решается тем, что в пространстве между электродами непосредственно в зоне разряда перпендикулярно к плоскостям электродов установлены диэлектрические экраны, выполненные из пористой керамики. Структура этой керамики сформирована из тонких волнистых керамических слоев с образованием между слоями ячеистых промежутков с развитой поверхностью. Экран устанавливается так, чтобы развитая поверхность с ячеистыми промежутками являлась внутренней боковой стенкой газоразрядной камеры.

Техническим результатом изобретения является повышение мощности лазерного излучения, уменьшение его угловой расходимости, что приводит к увеличению яркости излучения в дальней зоне. Это обеспечивается пространственным ограничением зоны энерговклада диэлектриком из пористой керамики.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено схематическое изображение предлагаемого лазера, а на фиг.2 изображен фрагмент блока пористой керамики, из которых набираются диэлектрические экраны, ограничивающие зону энерговклада.

В корпусе лазера 1 в газоразрядной камере (фиг.1) установлены на расстоянии друг от друга катодный электрод 2 и анодный электрод 3, имеющие прямоугольную форму и решетчатую структуру. Катодный электрод заземлен, а к анодному электроду 3 подключен высоковольтный ввод 4, к которому подведено напряжение 15-40 кВ (в зависимости от давления рабочей смеси), формирующее электрическое поле в межэлектродном пространстве. Направление поля показано стрелкой 5. Между краями электродов 2 и 3 установлены диэлектрическими экраны 6, образованные блоками из пористой керамики, установленными перпендикулярно к плоскостям электродов. От источника ионизации 7 (в качестве которого может быть использован широкоапертурный электронный ускоритель) в зону разряда направлен пучок электронов 8. От блока прокачных устройств 9 в камеру через анодный электрод направлен газовый поток 10 (смесь газов CO2-N2-He). В корпусе лазера 1 между блоком прокачных устройств 9 и стенками корпуса установлены теплообменники 11, а между блоком прокачных устройств и анодным электродом установлены диэлектрические стенки 12. Оптическая ось 13 резонатора направлена перпендикулярно потоку газа и электрическому полю (показана знаком "+"). Это означает, что одно из зеркал резонатора находится над плоскостью чертежа, а второе под ней.

Сторона А (фиг.2) блока пористой керамики и противоположная ей сторона соприкасаются с поверхностями электродов, а сторона В образует внутреннюю поверхность газоразрядной камеры.

Устройство работает следующим образом.

Газовый поток 10 нагнетается блоком прокачных устройств 9 в зону разряда через анодный электрод 3. Одновременно зона разряда ионизируется внешним электронным пучком 8 источника ионизации 7 и накачивается энергией электрического поля 5, приложенного между электродами 3 и 2.

Керамические экраны 6 способствуют формированию однородного профиля скорости газа, препятствуют образованию в зоне разряда рассеянного неоднородного пучка электронов, а развитая мелкоячеистая структура экранов позволяет достигнуть высокую напряженность электрического поля в разряде, что в совокупности приводит к повышению однородности и устойчивости разряда, к повышению мощности энерговклада, снимаемой оптическим резонатором 13 мощности лазерного излучения и уменьшению угловой расходимости лазера. Керамика, из которой изготовлены экраны 6, обеспечивает высокую радиационную стойкость экранов и надежность работы лазера. Кроме этого, в импульсно-периодическом режиме работы лазера керамические пористые экраны служат эффективными глушителями газодинамических возмущений, т.е. повышают оптическую однородность активной среды и уменьшают угловую расходимость лазера. Из зоны разряда газовая смесь выносится через катодный электрод 2, обтекая выводное устройство источника ионизации 7, проходит через теплообменник 11 и поступает на вход блока прокачных устройств 9.

Реализация данного технического решения на экспериментальной установке в НТЦ "Энергия" НИИЭФА им. Д.В.Ефремова позволила повысить мощность лазера на 15-20% и снизить угловую расходимость лазера на 20-25%

Использование: СО₂-лазеры с замкнутым контуром прокачки рабочей среды и ионизацией газа электронным пучком, предназначенные для использования в металлообрабатывающей, горнодобывающей и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: лазер содержит расположенные в газоразрядной камере катодный и анодный электроды, выполненные в виде решеток, на которые поток газа направлен по направлению электрического поля между электродами, пучок электронов от устройства ионизации направлен противоположно направлению электрического поля, а оптическая ось резонатора направлена перпендикулярно потоку газа и электрическому полю, в пространстве между электродами непосредственно в зоне разряда перпендикулярно к плоскостям электродов установлены диэлектрические экраны, выполненные из пористой керамики, обращенные развитой поверхностью к внутренней области газоразрядной камеры. 2 ил.

Электроионизационный газовый лазер с несамостоятельным разрядом и продольной конфигурацией прокачки газовой смеси, содержащий расположенные в газоразрядной камере катодный и анодный электроды, выполненные в виде решеток, на которые поток газа направлен по направлению электрического поля между электродами, пучок электронов от устройства ионизации направлен противоположно направлению электрического поля, а оптическая ось резонатора направлена перпендикулярно потоку газа и электрическому полю, отличающийся тем, что в пространстве между электродами непосредственно в зоне разряда перпендикулярно плоскостям электродов установлены диэлектрические экраны, выполненные из пористой керамики, сформированной из тонких волнистых слоев, обращенные срезом, проведенным перпендикулярно волнистым слоям керамики, к внутренней области газоразрядной камеры.