ГАЗОВЫЙ CO-ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНЫМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ РАЗРЯДОМ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве газовых CO₂-лазеров с высокой эффективностью накачки.

Известен CO₂- лазер с поперечным высокочастотным (ВЧ) разрядом, содержащий разрядную структуру, состоящую из двух протяженных электродов, расположенных на незначительном расстоянии друг от друга [1] Для возбуждения лазера ВЧ-полем используются два ввода энергии (по одному на каждом электроде). Для эффективной передачи энергии от ВЧ-источника накачки в активную среду лазера необходимо совпадение импедансов нагрузки в режиме горения разряда с выходным импедансом генератора накачки. Для этого между подводящим коаксиальным кабелем и ВЧ-вводами энергии разрядной структуры включают цепь согласования, состоящую из нескольких реактивных сопротивлений, осуществляющую трансформацию комплексного импеданса разряда в импеданс ВЧ-генератора.

Недостатком лазера является то, что в разрядной структуре, обладающей свойствами линии передачи, формируется стоячая волна поля накачки с неоднородным в продольном направлении распределением напряжения. Эта неоднородность обуславливает продольную неоднородность энерговклада в разряд и, как следствие этого, неоднородность коэффициента усиления активной среды лазера, что снижает эффективность накачки.

Известен также CO₂-лазер с поперечным ВЧ-разрядом [2] в котором для уменьшения продольной неоднородности коэффициента усиления активной среды используются шунтирующие индуктивности, подключенные между электродами и расположенные вдоль разрядной структуры. Величина индуктивностей выбирается из условия получения резонанса по частоте ВЧ-накачки. Таким образом, в этой конструкции шунтирующие индуктивности не только уменьшают продольную неоднородность напряжения, но и являются частью цепи согласования, преобразующей импеданс разряда лазера в выходное сопротивление источника ВЧ-накачки.

Недостатком лазера являются существенные ВЧ-потери в цепи согласования, в том числе на шунтирующих индуктивностях, которые складываются из потерь на излучение, потерь на межвитковых емкостях, потерь на омическом сопротивлении токам ВЧ.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является CO₂-лазер с поперечной ВЧ-накачкой [3] содержащий разрядную структуру с двумя протяженными электродами и источник питания, соединенный с разрядной структурой кабелями через несколько пар вводов, расположенных на электродах. В таком лазере достигается более равномерное распределение энергии накачки вдоль разрядной структуры, а следовательно, более высокая эффективность накачки, чем в известных лазерах при подаче энергии через одну пару вводов энергии.

Недостатком данной конструкции является высокие суммарные потери ВЧ-энергии на омическом сопротивлении цепей согласования, которые включаются между каждым подводящим кабелем и вводами ВЧ-энергии разрядной структуры, что существенно снижает эффективность накачки.

Изобретение решает задачу создания ВЧ CO₂-лазера с повышенной эффективностью накачки.

Осуществление изобретения позволит создать конструкцию CO₂-лазера с поперечным ВЧ-возбуждением, обеспечивающую минимальные электрические потери при согласовании импеданса разряда с выходным сопротивлением источника питания. При этом одновременно будет обеспечиваться минимальная величина продольной неоднородности усиления.

Это достигается тем, что в известном CO₂-лазере, содержащем разрядную структуру, состоящую из двух протяженных электродов с одной или несколькими парами вводов ВЧ-энергии, возбуждаемую поперечным ВЧ-разрядом от источника питания с регулируемой выходной мощностью, соединенного с разрядной структурой N (N 1, 2, 3,) отрезками кабелей с волновым сопротивлением R, площадь сечения S рабочей поверхности каждого электрода, межэлектродный зазор d и давление газовой смеси p выбираются из условия
S(pd)^-1 CNR^-1,
где S, мм²;
d, мм;
p, мм рт.ст.

R, Ом
C 6±1•10² Ом•мм/мм рт.ст.

Совпадение импеданса нагрузки с выходным импедансом ВЧ-генератора, соединенного с излучателем лазера несколькими кабелями, обеспечивается достижением сопротивления разрядной структуры, равного R/N. Учитывая, что соединяющие кабели имеют определенное стандартное значение волнового сопротивления (как правило, 50 Ом), в предложенной конструкции осуществляется выбор сопротивления разрядной структуры путем подбора ее геометрии (площадь рабочей поверхности каждого электрода и межэлектродный зазор) и давления газовой смеси. Эти параметры определяются из вышеуказанного соотношения. Эффективность накачки предложенного лазера возрастает благодаря отсутствию специальных цепей согласования, а следовательно, из-за малых электрических потерь.

На чертеже показан предложенный CO₂-лазер с поперечным ВЧ-возбуждением.

Лазер содержит источник питания 1, излучатель 2. Энергия электрического поля подводится к разрядному промежутку с помощью отрезков кабелей 3. Разрядная структура излучателя образована протяженными электродами 4 площадью S ab, расстояние между которыми составляет d.

Принцип действия предлагаемого устройства состоит в следующем.

От ВЧ-генератора с помощью нескольких (N) отрезков кабелей с волновым сопротивлением R подается напряжение на разрядную структуру, вследствие чего в разрядном канале возбуждается поперечный разряд и возникает состояние с инверсной заселенностью. Согласование импеданса разряда с выходным сопротивлением источника питания осуществляется достижением сопротивления разряда, равного R/N. Поскольку сопротивление разряда зависит от объема и давления возбуждаемой активной среды, точное его значение можно выбрать при проектировании лазера, задавая геометрию разрядной структуры (величина рабочей поверхности S каждого электрода, межэлектродный зазор d) и давление газовой среды p. Между указанными параметрами и волновым сопротивлением R соединяющих кабелей установлено следующее соотношение:
S(pd)^-1 CNR^-1,
где S, мм²;
d, мм;
p, мм рт.ст.

R, Ом;
C (6±1)•10² Ом•мм/мм рт.ст.

Коэффициент пропорциональности C (6±1)•10² Ом•мм/мм рт. ст. входящий в вышеуказанное соотношение, определен экспериментально для нескольких (не менее 10) совокупностей параметров S, p и d как усредненное значение.

В соответствии с данным предложением создан CO₂- лазер, возбуждаемый поперечным ВЧ-разрядом со следующими техническими характеристиками:
Размеры рабочей поверхности электрода (ширина•длина), мм² - 40•280
Межэлектродный зазор, мм 2,5
Давление рабочей смеси, мм рт.ст. 50
Частота ВЧ-поля, МГц 81,36
Мощность ВЧ-генератора, Вт 600
Мощность излучения лазера в диапазоне длин волн 9-11 мкм, Вт 60
Количество соединяющих кабелей 4
Таким образом, изобретение позволяет обеспечить согласование импедансов разряда с выходным сопротивлением ВЧ-генератора без использования внешних цепей согласования и тем самым создать CO₂-лазер с поперечным ВЧ-разрядом с повышенной эффективностью накачки.

Использование: изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве газовых CO₂-лазеров с высокой эффективностью накачки. Сущность: газовый CO₂-лазер содержит разрядную структуру, состоящую из двух протяженных электродов с несколькими парами вводов ВЧ-энергии. ВЧ-энергия подводится к разряду от источника питания с регулируемой мощностью отрезками кабелей с волновым сопротивлением R. Количество отрезков кабелей равно N /N = 1, 2, 3,...,/. Площадь сечения рабочей поверхности электродов S, межэлектродный зазор d и давление газовой смеси р выбираются из соотношения: S(pd)^-1 = CNR^-1, где C - коэффициент пропорциональности. 1 ил.

Газовый СО₂ лазер с поперечным высокочастотном разрядом, содержащий разрядную структуру, состоящую из двух протяженных электродов с несколькими парами вводов ВЧ энергии, возбуждаемый поперечным ВЧ разрядом от источника питания с регулируемой выходной мощностью, соединенного с разрядной структурой N (N=1,2,3.) отрезками кабелей с волновым сопротивлением R, Ом, отличающийся тем, что площадь сечения S, мм², рабочей поверхности каждого электрода, межэлектродный зазор d, мм, и давление Р, мм рт.ст. газовой смеси выбраны из соотношения
S(pd)^-1 CNR^-1,
где С (6 ± 1) х 10² Ом х мм/мм рт.ст.