ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к импульсным газовым лазерам с поперечным электрическим разрядом, в частности к ТЕА CO₂-лазерам, и может быть использовано при создании малогабаритных долговечных отпаянных лазеров, работающих с высокими частотами повторения импульсов.

Известно, что повышение частоты следования импульсов обеспечивается созданием прокачки газа через разрядный промежуток (см. Карнюшин В.Н. Солоухин Р. И. Макроскопические и молекулярные процессы в газовых лазерах. - М. Атомиздат, 1981 г. стр. 200 ). Предельная частота следования импульсов f связана со скоростью газового потока следующим соотношением:
f = (0,1÷0,5)V/l, (1)
где V средняя скорость потока в промежутке между электродами;
l протяженность электродов по направлению потока.

Известен газовый лазер, содержащий оптический резонатор, разрядную камеру с основными поперечными электродами и системой предыонизации, в которой необходимый газовый поток создается с помощью вентиляторов, расположенных непосредственно в объеме разрядной камеры (см. заявка РСТ 84/02039, опубл. 17.05.84, кл. H 01 3/097).

Недостатками конструкции лазера, существенно ограничивающими возможности его практического применения, являются следующие.

Значительные габариты по сравнению с приборами, работающими с низкими частотами следования импульсов.

Сложность конструкции, что соответственно увеличивает себестоимость и снижает надежность прибора.

Загрязнение активной газовой среды продуктами газоотделения электродвигателей вентиляторов, что исключает длительную работу в отпаянном режиме.

Известен импульсный газовый ТЕА лазер, содержащий резонатор, разрядную камеру с основными поперечными электродами и системой предыонизации. Прокачка газового потока создается электродвигателем, вынесенным за пределы разрядной камеры (см. пат. ФРГ 3.405.867, кл. Н 01 3/043, опубл. 23.08.84).

Недостатками известной конструкции являются дальнейшее ее усложнение и увеличение габаритов лазера за счет применения дополнительных устройств передачи вращения от внешнего электродвигателя внутрь разрядной камеры.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный газовый ТЕА лазер, содержащий оптический резонатор, разрядную камеру с основными высоковольтными и заземленным поперечными электродами и системами предыонизации и пассивной прокачки газа, осуществляемой без применения механических средств.

Направление движения газа задается двумя вентилями, расположенными на противоположных (по направлению оптической оси) концах стенки разрядной камеры и создающими эту камеру с дополнительным газовым резервуаром. При изменениях давления в разрядной камере, обусловленных электрическим разрядом, один вентиль открывается, другой закрывается (см. заявку ЕПВ 0.059.229, кл. Н 01 3/03, опубл. 08.09.82. прототип).

Основной недостаток конструкции заключается в том, что, во-первых, такой пассивный способ прокачки не обеспечивает значительной скорости потока, во-вторых, движение газа осуществляется вдоль электродов. Поэтому существенного увеличения частоты следования импульсов, как следует из выражения (1), достигнуто быть не может. Кроме того дополнительный газовый объем увеличивает габариты известного лазера.

Задачей изобретения является создание малогабаритного отпаянного лазера, в котором без применения механических средств, обеспечивается поперечная циркуляция газа.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение частоты следования импульсов.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что в известном импульсном газовом лазере, содержащем оптический резонатор, разрядную камеру с основными высоковольтным и заземленным поперечными электродами и системами предыонизации и прокачки, система прокачки выполнена в виде двух параллельных коронирующего и некоронирующего электродов, установленных вне основного разрядного промежутка вдоль основных поперечных электродов.

Кроме того в разрядную камеру введена перегородка, установленная последовательно с системой прокачки, между оболочкой разрядной камеры и основным высоковольтным поперечным электродом.

Во втором варианте технический результат достигается тем, что некоронирующим электродом системы прокачки служит заземленный основной поперечный электрод, а коронирующий электрод установлен вне основного разрядного промежутки со стороны противоположной высоковольтному основному поперечному электроду.

Некоронирующий электрод выполнен в виде металлической сетки с ячейками произвольной формы и коэффициентом заполнения К 0,1-0,5. Кроме того, коронирующий электрод выполнен в виде одной или нескольких проволок, расположенных параллельно друг другу, причем расстояние между проволоками выбирается из соотношения р (0,5-1)•h, где h расстояние между коронирующим и некоронирующим электродами системы прокачки.

А также, коронирующий электрод выполнен в виде одной или нескольких параллельных гребенок из металлических острий, причем расстояние между гребенками и между остриями в ряду выбирается из соотношения р (0,5-1)•h, где h расстояние между коронирующим и некоронирующим электродами системы прокачки.

Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что два данных устройства решают одну и ту же задачу создание малогабаритного, отпаянного лазера с безмеханической системой поперечной прокачке газа, обеспечивающей высокую частоту следования импульсов, принципиально одним и тем же путем.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство соответствует требованию "новизна". Сравнение заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 схематически показан первый вариант предлагаемого импульсного газового лазера. Поперечное сечение разрядной камеры представлено на фиг. 2
4.

На фиг. 2 показан второй вариант предлагаемого лазера, на фиг. 3, 4 - возможное расположение коронирующего и некоронирующего электродов и перегородки.

Лазер содержит зеркала оптического резонатора 1,1', основные высоковольтный 2 и электрически заземленный 2 поперечные электроды, электроды для зажигания вспомогательного разряда предыонизации 3,3' (электроды изображены условно в виде проволок, т.к. возможно применение любой другой системы предыонизации, не создающей значительного сопротивления газовому потоку, циркулирующему через основной разрядный промежуток), некоронирующий электрод системы прокачки 4 и коронирующий электрод в виде проволоки или гребенки острий 5. На фиг. 2 некоронирующий электрод 4 одновременно является и электродом основного разрядного промежутка 2'. Перегородка 7, установленная последовательно с системой прокачки 4, 5 вдоль всей камеры 6, между оболочкой камеры 6 и основным высоковольтным и поперечным электродом 2, показана на фиг. 3, 4. Стрелками на рисунках обозначено направление газового потока.

При зажигании между электродами 4, 5 униполярного коронного разряда возникает движение газа в разрядной камере. Причиной возникновения газового потока, получившего название "электрического ветра", является однонаправленный поток ионов во внешней области коронного разряда (см. Капцов Н.А. Коронный разряд М. Гостехиздат, 1947 г. стр. 272 ). Ионы и увлекаемый ими газ движутся от коронирующего 5 к некоронирующему 4 электроду. После прохождения через посланий газовый поток направляется через основной разрядный промежуток 2,2.

Его скорость может достигать нескольких метров в секунду. При поперечном размере основных электродов, например, 1 см частота следования импульсов лазера, согласно выражения (1), составит несколько десятков-сотен герц.

По мере удаления от сетки 4 скорость потока уменьшается, поэтому система прокачки должна располагаться на минимально возможном расстоянии от основного промежутка 2,2'. Выбор этого расстояния определяется условиями электрической изоляции.

При одинаковой величине тока коронного разряда скорость потока возрастает с уменьшением расстояния h между коронирующим и некоронирующим электродами. Минимально возможное расстояние выбирается экспериментально из условий обеспечения устойчивого горения коронного разряда.

Выбор числа параллельных проволок или рядов острий коронирующего электрода определяется необходимой шириной газового потока и диктуется расстоянием между основными электродами d. Если отношение d/h ≲ 1, то достаточно одной проволоки или одного ряда острий.

Конструкции, представленные на фиг. 1 4, относятся к первому случаю, как наиболее характерному для малогабаритных приборов. Расстояние между проволоками или рядами острий следует выбирать в пределах (0,5-1)h. При больших расстояниях становятся заметными провалы в поперечных профилях скорости потока, приходящиеся на середину интервала между проволоками или рядами. При меньших расстояниях из-за усиления взаимной экранировки уменьшается ток разряда и соответственно скорость потока.

Более скоростные и пространственно более однородные потоки формируются в системах с проволочными коронирующими электродами. Поэтому в случаях (фиг. 1, 2), где газовый поток, формируемый системой прокачки, попадает непосредственно в основной разрядный промежуток, предпочтительнее использовать проволочные коронирующие электроды. В разрядной камере, изготовленной по первому варианту (фиг. 1), регистрировались наиболее высокие частоты следования импульсов, достигающие 70-100 Гц. Во втором варианте (фиг. 2) частоты следования импульсов оказываются несколько ниже из-за более высокой турбулентности потока, поскольку в основном промежутке происходит перемешивание входящего в него и отраженного от верхнего электрода двух газовых потоков. Достоинство же этого варианта конструкции по сравнению с первым заключается в наибольшей компактности и, соответственно, наименьших габаритах устройства.

В приборах, работающих в условиях воздействия интенсивных механических нагрузок, вместо проволочных целесообразно использовать механические более жесткие многоострийные коронирующие электроды. Дискретность этих электродов практически перестает сказываться на пространственной однородности потока при шаге острий менее 0,5 h. Однородность потока и его временная стабильность заметно улучшаются в результате поворота потока перед вводом его в основной разрядный промежуток. В этом случае число острий в гребенке можно уменьшить в двое, увеличив шаг их расположения до величины h.

В устройстве (фиг. 3) поворот потока происходит в результате его отражения от стенки разрядной камеры 6. Путь потоку между основным высоковольтным электродом 2 и стенкой камеры 6 перекрывается перегородкой 7, выполненной в виде диэлектрической пластины. Роль перегородки может также играть и ряд конденсаторов системы предыонизации при их размещении между электродом 2 и стенкой камеры 6. В устройстве (фиг. 4) система прокачки 4, 5 и перегородка 7 располагаются таким образом, чтобы, обеспечивая поворот потока, максимально сократить путь и, тем самым, повысить скорость движения газа через основной разрядный промежуток 2,2'. В случае когда высоковольтный электрод закреплен непосредственно на стенке камеры 6 необходимость установки перегородки 7 отпадает.

На характеристики газового потока существенное влияние оказывает густота сеточного некоронирующего электрода. Наилучшие характеристики потока достигаются при величине коэффициента заполнения сетки (определяемого как отношение площади, занимаемой проволокой, ко всей площади сетки) 0,1-0,5. При меньших его значениях существенно возрастает турбулентность потока и, соответственно, ухудшается его пространственная однородность и временная стабильность. При более густой сетке быстро уменьшается скорость из-за возрастания газодинамического сопротивления потоку.

Характеристики газового потока существенно зависят от полярности напряжения, прикладываемого к коронирующему электроду.

В случае проволочного коронирующего электрода при положительной полярности прикладываемого к нему напряжения обеспечивается равномерное свечение коронного разряда по всей длине проволоки и, соответственно, практическое постоянство скорости потока при перемещении вдоль оси основного разрядного промежутка. При отрицательной же полярности разряд имеет вид отдельных светящихся точек на поверхности проволоки. Число точек, расстояние между ними зависят от величины тока разряда, состава газовой смеси и, как правило, меняются во времени. В некоторых случаях, например при разряде в азоте, расстояние между этими точками может существенно превышать межэлектродное расстояние, что исключает возможность формирования однородных газовых потоков.

В случае многоострийного коронирующего электрода можно использовать как положительную, так и отрицательную полярность напряжения. Однако и в этом случае более предпочтительным является положительная полярность. Вольт-амперная характеристика положительной короны имеет меньшую крутизну, чем отрицательной. Потому неизбежно существующий разброс условий зажигания короны на различных остриях будет меньше влиять на распределение тока между остриями при их параллельном включении. Это преимущество положительной короны становится особенно заметным в смесях с большим содержанием гелия.

Использование предлагаемой системы прокачки, обеспечивающей поперечную циркуляцию газовой смеси без применения механических средств, позволяет создавать малогабаритные отпаянные лазеры с высокой частотой повторения импульсов.

В качестве одного из примеров, доказывающего возможность практической реализации предлагаемого конструктивного решения малогабаритного отпаянного лазера, можно привести результаты, полученные применительно к ТЕА CO₂-лазером.

Активный элемент лазера изготовлен по варианту, соответствующему фиг. 4.

Внешние габариты: длина 36 см, диаметр 8 см.

Размеры основных электродов: длина 25 см, ширина 1,4 см.

Расстояние между электродами d 0,6е см.

Система предыонизации выполнена в виде 25 искровых промежутков, расположенных равномерно вдоль электродов по одну сторону основного промежутка. Система прокачки располагалась по другую сторону основного промежутка. Некоронирующий электрод системы прокачки выполнен из металлической сетки с квадратными ячейками (диаметр проволоки 0,5 мм, коэффициент заполнения сетки 0,4). Коронирующий электрод в виде гребенки острий с шагом 1 см. Расстояние между электродами системы прокачки h 1 см.

Важно отметить, что для обеспечения работы системы прокачки не требовалось введение дополнительного источника питания. Высокое напряжение положительной полярности подводилось к коронирующему электроду от источника питания основного разряда через ограничительное сопротивление.

Активный элемент заполнялся смесью He+CO₂+N₂ с соотношением компонентов 1:1:1.

При величине высокого напряжения 20 кВ и емкости накопительного конденсатора 0,1 мкФ энергия излучения в импульсе составляла 70 мДж. При величине ограничительного сопротивления 10 МОм ток коронного разряда системы прокачки составлял 0,3 мА. Скорость прокачки газа через основной промежуток составляла 3 м/с, что обеспечивало надежную работу лазера с частотой следования импульсов 30 Гц. При включении коронного разряда частота следования импульсов не превышала 2 Гц. Стабилизация состава смеси в процессе длительной работы обеспечивалась с помощью палладиевого катализатора. Какого-либо заметного ухудшения характеристик излучения после 10⁶ импульсов не отмечалось.

Приведенный пример показывает, что заявляемое изобретение соответствует требованию "промышленная применимость". ЫЫЫ2

Использование: импульсные газовые лазеры с поперечным электрическим разрядом, в частности ТЕА CO₂ лазеры. Сущность изобретения: в газовом лазере, содержащем оптический резонатор, разрядную камеру с основными поперечными электродами, системами предыонизации и прокачки, система прокачки выполняется в виде двух параллельных электродов, установленных вне основного разрядного промежутка вдоль основных электродов. Поперечная циркуляция газовой смеси через основной разрядный промежуток возникает при зажигании униполярного коронного разряда между коронирующими и некоронирующими электродами системы прокачки, что обеспечивает возможность увеличения частоты следования импульсов до нескольких десятков-сотен герц без применения механических средств прокачки газовой смеси. Некоронирующий электрод выполняется в виде сетки с ячейками произвольной формы и коэффициентом заполнения 0,1-0,5. Коронирующий электрод может быть выполнен в виде одной или нескольких параллельных проволок или в виде одной или нескольких параллельно расположенных гребенок из металлических острий. Расстояние между проволоками, гребенками и между остриями в гребенке выбирается из определенного соотношения. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Импульсный газовый лазер, содержащий оптический резонатор, разрядную камеру с основными высоковольтным и заземленным поперечными электродами и системами предыонизации и прокачки, отличающийся тем, что система прокачки выполнена в виде двух параллельных коронирующего и некоронирующего электродов, установленных вне основного разрядного промежутка вдоль основных поперечных электродов. 2. Импульсный газовый лазер, содержащий оптический резонатор, разрядную камеру с основными высоковольтным и заземленным поперечными электродами и системами предыонизации и прокачки, отличающийся тем, что система прокачки выполнена в виде двух параллельных коронирующего и некоронирующего электродов, причем некоронирующим электродом системы прокачки служит заземленный основной поперечный электрод, а коронирующий электрод установлен вне основного разрядного промежутка со стороны, противоположной высоковольтному электроду. 3. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что в разрядную камеру введена перегородка, установленная последовательно с системой прокачки между оболочкой камеры и основным высоковольтным поперечным электродом. 4. Лазер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что некоронирующий электрод выполнен в виде металлической сетки с ячейками произвольной формы и коэффициентом заполнения К 0,1 0,5. 5. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что коронирующий электрод выполнен в виде одной или нескольких проволок, расположенных параллельно одна другой, причем расстояние между проволоками выбирается из соотношения p (0,5 1)h, где h расстояние между коронирующим и некоронирующим электродами системы прокачки. 6. Лазер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что коронирующий электрод выполнен в виде одной или нескольких параллельных гребенок из металлических острий, причем расстояние между гребенками и между остриями в ряду выбирается из соотношения p (0,5 1)h, где h расстояние между коронирующим и некоронирующим электродами системы прокачки.