ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1997 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к лазерам, т.е.к квантовым устройствам для генерирования стимулированного излучения, в частности к газовым лазерам, а более точно к газовым лазерам с использованием емкостного возбуждения активной среды.

В известных газовых лазерах с использованием емкостного возбуждения от высокочастотного генератора в качестве устройства для согласования импеданса разряда с волновым сопротивлением кабеля, идущего от высокочастотного генератора к лазерной головку,обычно используется набор регулируемых дискретных элементов индуктивностей и емкостей. Следствием использования кабеля для передачи высокочастотной мощности являются значительные потери мощности при передаче ее от высокочастотного генератора к лазерной головке [1]
Кроме того, в известном лазере электроды расположены друг от друга на значительном расстоянии, что требует повышенного высокочастотного напряжения на электродах, а также приводит к перегреву активной среды лазера.

Вкладываемая мощность в лазере такой конструкции ограничена нагревом активной среды, что в свою очередь ограничивает мощность, излучаемую лазером, и ухудшает расходимость излучения.

Более высокими эксплуатационными характеристиками обладают лазеры с плоскими электродами, расстояние между которыми составляет обычно ≈ 1,5-3 мм [2]
Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является конструкция лазера, включающего два плоских электрода, образующих разрядный промежуток прямоугольного сечения, при этом один электрод соединен с выходным каскадом высокочастотного генератора с помощью согласующего устройства, а второй электрод заземлен [3]
В известном устройстве [3] высокочастотный генератор также расположен отдельно от лазерной головки и соединен с ней с помощью кабеля и набора регулируемых индуктивностей и емкостей, при этом потери на передающем кабеле требуют увеличения мощности высокочастотного генератора, а также оказывают вредное влияние на персонал.

Кроме того, в известном устройстве выходной каскад высокочастотного генератора соединен с помощью согласующего устройства с центральной частью электрода через высокочастотный разъем. Плоские электроды имеют удлиненную форму (длина 400-700 мм, ширина 30-70 мм), и при подаче высокочастотного напряжения на середину электрода, соединенного с выходным каскадом высокочастотного генератора, возникает неравномерное распределение высокочастотного поля вдоль электрода, связанное с тем, что расстояние от точки включения до конца электрода имеет один порядок величины с четвертой частью длины волны поля накачки. Вследствие этого вклад мощности по длине разрядного промежутка неоднороден, что ухудшает пространственно-энергетические характеристики лазера, в частности его мощность и расходимость излучения. Поэтому в известных устройствах используются дополнительные элементы индуктивности, которые располагаются по периметру электродов для выравнивания вклада мощности по сечению и длине разрядного промежутка.

Следует также отметить, что, поскольку во всех известных лазерах выходной каскад высокочастотного генератора расположен отдельно от лазерной головки, требуются дополнительные меры для защиты обслуживающего персонала от радиочастотных полей. Тем не менее, известные приемы экранировки эффективны только в том случае, когда персонал находится на значительном расстоянии от кабеля.

Задачей изобретения является улучшение пространственно-энергетических характеристик лазера, повышение его эффективности и безопасности его эксплуатации.

Для решения поставленной задачи в газовом лазере, включающем два плоских электрода, образующих разрядный промежуток прямоугольного сечения, один электрод соединен с выходным каскадом высокочастотного генератора с помощью согласующего устройства, а второй электрод заземлен; совмещены со стенками вакуумной камеры, а согласующее устройство выполнено в виде полосковой волноводной линии, контактирующей с электродом по всей его длине и огибающей элементы выходного каскада высокочастотного генератора, смонтированные на панели, установленной на электроде, соединенном с выходным каскадом высокочастотного генератора.

В предлагаемом устройстве электроды одновременно являются и стенками вакуумной камеры. Такая конструкция позволяет снизить нежелательную емкость электродов на конструктивных элементах головки лазера, что в свою очередь обеспечивает уменьшение напряжения поджига газового разряда, снижает потери мощности высокочастотного генератора и значительно уменьшает всплеск высокочастотной мощности,излучаемой системой в момент включения, т.е. повышает безопасность эксплуатации лазера.

Выполнение согласующего устройства в виде полосковой волноводной линии обеспечивает возможность сосредоточить необходимые для согласования импеданса разряда индуктивности и емкости в одном устройстве в виде набора диэлектрических и металлических слоев, т.е. значительно снизить потери мощности при передаче ее от высокочастотного генератора к лазерной головке. Центральный металлический слой является высокочастотным, а два внешних металлических слоя являются заземленными электродами. Параметры полосковой полноводной линии выбираются в соответствии с импедансом разрядного промежутка. Для подстройки согласования полосковой волноводной линии с разрядным промежутком используется перемещение диэлектрической пластины между металлическими электродами, изменяющее емкость линии. Такой способ настройки значительно проще, чем настройка согласующих устройств известных ранее конструкций.

Кроме перечисленных выше преимуществ, применение полосковой волноводной линии целесообразно еще и потому, что она может принимать заданную пространственную конфигурацию. В предлагаемом устройстве они огибает элементы выходного каскада высокочастотного генератора, то есть является одновременно согласующим устройством и экраном для выходного каскада высокочастотного генератора.

Элементы выходного каскада высокочастотного генератора смонтированы на панели, установленной на электроде, соединенном с выходным каскадом высокочастотного генератора. Такое конструктивное выполнение расположения элементов выходного каскада высокочастотного генератора позволяет отказаться от кабеля, то есть позволяет снизить потери высокочастотной энергии при передаче ее от генератора к лазерной головке и повысить безопасность эксплуатации лазера, исключив при этом необходимость применения дополнительных мер защиты от радиочастотных полей.

Согласующее устройство, выполненное в виде полосковой волноводной линии, контактирует с электродом по всей его длине. Благодаря такому контакту вклад мощности по всей площади электрода однороден, что позволяет избежать образования оптических неоднородностей в газовом разряде, которые приводят к снижению мощности генерации и ухудшению расходимости излучения из-за рассеяния на этих неоднородностях, а также исключает необходимость использования дополнительных элементов индуктивностей и емкостей, которые располагаются по периметру электродов для выравнивания вклада мощности по сечению и длине разрядного промежутка.

Такое исполнение и подключение согласующего устройства позволяет создать в разрядном промежутке прямоугольного поперечного сечения поле однородное по двум координатам с минимальными потерями на высокочастотное излучение и рассеяние. Это обеспечит высокую эффективность работы устройства и безопасность его эксплуатации.

В целом поставленная задача решается путем рационального выполнения элементов газового лазера и оригинальной их компоновке, обеспечивающей высокую компактность устройства. Именно такая компоновка создает возможность использования согласующего устройства, выполненного в виде полосковой волноводной линии одновременно:
для передачи высокочастотного сигнала от выходного каскада высокочастотного генератора с минимальными потерями мощности;
в качестве экрана для выходного каскада высокочастотного генератора;
для обеспечения возможности контакта согласующего устройства с электродом по всей его длине.

На фиг. 1 показан газовый лазер, поперечное сечение; на фиг. 2 - структура согласующего устройства (полосковой волноводной линии).

На фиг. 1 не показаны зеркала (они находятся в плоскости чертежа).

Газовый лазер содержит заземленный электрод 1, электрод 2, соединенный с выходным каскадом высокочастотного генератора 3, элементы которого смонтированы на панели 4, установленной на электроде. Электроды образуют разрядный промежуток 5 прямоугольного поперечного сечения. Выходной каскад высокочастотного генератора соединен с электродом через контактный узел 6, длина которого равна длине электрода, с помощью согласующего устройства 7, выполненного в виде полосковой волноводной линии, которая сужается в направлении узла 8 соединения с выходным каскадом высокочастотного генератора. Электроды снабжены каналами охлаждения 9 и вместе с выходным каскадом высокочастотного генератора помещены в кожух 10, соединенный с заземленным электродом. Расстояние между электродами фиксируется с помощью керамических вкладышей 11, вакуумно-плотно соединенных с электродами.

Согласующее устройство содержит высокочастотный электрод 12 и заземленные электроды 13 и 14. Высокочастотный электрод и заземленные электроды разделены диэлектрическими прокладками (вкладышами) 15 и 16.

Высокочастотный электрод 12 согласующего устройства 7 имеет фиксированную толщину (например, 1 мм) и переменное сечение, расширяясь от контактного узла 8 в направлении узла 6.

Диэлектрические слои 15 и 16 также имеют фиксированную толщину (например 1-2 мм), образуя необходимую электрическую емкость. Заземленные электроды 13 и 14 имеют ширину, равную длине электрода 2, соединенного с выходным каскадом высокочастотного генератора. Электрод 13 является кожухом всего выходного каскада высокочастотного генератора, элементы которого смонтированы на панели 4, закрепленной на электроде 2. Электрод 14 обращен своей наружной поверхностью к элементам выходного каскада высокочастотного генератора.

При подаче напряжения с выходного каскада высокочастотного генератора 3 на согласующее устройство 7 в нем распространяется бегущая волна и при достижении на разрядном промежутке 5 потенциала зажигания плазмы возникает разряд. При этом согласующее устройство 7 с заранее рассчитанными параметрами (емкость и индуктивность) трансформирует стандартное выходное сопротивление генератора к сопротивлению плазмы в разрядном промежутке, которое составляет единицы ом. Поскольку согласующее устройство 7, выполненное в виде полосковой волноводной линии, имеет распределенный характер, облегчается его охлаждение, например, путем конвекции. Поверхность электродов 12, и 13, 14 согласующего устройства 7 достаточно велика (порядка нескольких сотен см²), что способствует передаче высокочастотной энергии с малыми потерями на нагрев, а тонкие диэлектрические слои в области высокочастотного электрода 12 локализуют высокочастотное поле. Диэлектрические прокладки (вкладыши) 15 и 16 в этом случае не нагреваются, что способствует стабильности параметров согласующего устройства и в свою очередь приводит к стабильности газового разряда. Уровень высокочастотного поля вне полосковой волноводной линии незначителен, поскольку заземленные электроды 13 и 14 по периферии образуют щель, которая очень мала по сравнению с длиной волны высокочастотного поля и образует для него запредельный волновод.

При регулировании в момент настройки согласующего устройства 7 прокладки 15 и 16 перемещаются, при этом емкость полосковой волноводной линии изменяется и происходит перераспределение напряжения между согласующим устройством 7 и плазмой разрядного промежутка 5. При достижении согласования, что определяется по минимальной отраженной от устройства мощности, диэлектрические прокладки 15 и 16 фиксируются.

В процессе исследования макета газового лазера предлагаемой конструкции получена генерация излучения на длине волны λ 10,6 мкм (на смеси газов, содержащей CO₂) с мощностью в луче порядка 100 Вт. При этом расходимость излучения оказалась близкой к теоретическому пределу. Электрооптический КПД достигал ≈ 12%
Источники информации:
1. Патент США N 4,891,819, нац. кл. 372/82, м.кл.⁴; H 01 S 3/097, заявл. 17.01.89, выдан 02.01.90. "RF excited laser with internally folded resonator".

2. Denis R.Hall, Howard J.Baker "Area scaling boosts CO₂-laser performance", Laser Focus World, October, 1987, p.p. 77-80.

3. R.Nowack, H.Opower, U.Schaefer, K.Wessel, Th.Hall, H. Kruger, H.Weber "High power CO₂ waveguide laser of the 1 kW Category", Proc. SPIE, vol. 1276, 1990, p.p. 18-28.

Использование: изобретения относится к газовым лазерам с использованием емкостного возбуждения активной среды. Сущность: газовый лазер включает два плоских электрода, которые образуют разрядный промежуток прямоугольного сечения. Один из электродов соединен с выходным каскадом высокочастотного генератора, а другой электрод заземлен. Электроды совмещены со стенками вакуумной камеры. На электроде, соединенном с выходным каскадом высокочастотного генератора, установлена панель, на которой смонтированы элементы выходного каскада высокочастотного генератора. Согласующее устройство, соединяющее электрод с выходным каскадом высокочастотного генератора, выполнено в виде полосковой волноводной линии, которая контактирует с электродом по всей его длине и огибает элементы выходного каскада высокочастотного генератора. 2 ил.

Газовый лазер, включающий два плоских электрода, образующих разрядный промежуток прямоугольного сечения, при этом один электрод соединен с выходным каскадом высокочастотного генератора с помощью согласующего устройства, а второй электрод заземлен, отличающийся тем, что электроды совмещены со стенками вакуумной камеры, а согласующее устройство выполнено в виде полосковой волноводной линии, контактирующей с электродом по всей его длине и огибающей элементы выходного каскада высокочастотного генератора, смонтированные на панели, установленной на электроде, соединенном с выходным каскадом высокочастотного генератора.