ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНОЙ ПРОКАЧКОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/22 

Предлагаемое изобретение относится к области лазерного оборудования, а точнее к электроразрядным лазерам с поперечной прокачкой газовой смеси, имеющим в газовом контуре несколько газоразрядных камер.

Известны электроразрядные лазеры с поперечной прокачкой газовой смеси, включающие в свой состав герметичный корпус, прокачное средство, формирователь газового потока по замкнутому контуру, несколько газоразрядных камер, расположенных параллельно друг другу, неустойчивый оптический резонатор, состоящий из заднего глухого зеркала, поворотных зеркал и отражательно-выводной зеркальной системы, обеспечивающих многопроходность лазерного луча через газоразгрядные камеры, теплообменные системы, а также узел вывода лазерного луча из корпуса (1, 2). Недостаток этих лазеров заключается в значительном увеличении габаритов при использовании газоразрядных камер в количестве больше двух, а также необходимость использования в этом случае нескольких компрессоров или вентиляторов для прокачки газовой смеси.

Известен также электроразрядный лазер с поперечной прокачкой газовой смеси, включающий в свой состав: цилиндрический корпус, внутри которого размещены элементы газового контура, формирующие проходящую вдоль оси корпуса общую внутреннюю ветвь, в которой соосно с корпусом расположен центробежный вентилятор с наружным приводом, а также формирующие четыре наружные ветви, проходящие вдоль боковых стенок корпуса и имеющие направление газового потока противоположно внутренней ветви, при этом четыре наружные ветви образованы разделителем газового потока, подсоединенными к выходам разделителя четырьмя газоразрядными камерами, установленными под прямым углом друг к другу в периферийных областях сечения корпуса при направлении в них газового потока перпендикулярно оси корпуса, а также соединителем в общую внутреннюю ветвь выходящего из четырех газоразрядных камер газового потока; кроме того внутри корпуса расположен неустойчивый оптический резонатор, состоящий из закрепленных на раме заднего глухого зеркала, трех поворотных зеркал, расположенных под углом 45^o к ходу лазерного луча, и отражательно-выводной зеркальной системы резонатора, обеспечивающих прохождение оптической оси через газоразрядные камеры по прямоугольной траектории в плоскости, перпендикулярной оси корпуса; теплообменник, установленный в области внутренней ветви газового потока, а также узел вывода лазерного луча из корпуса [3] В этом лазере при одном вентиляторе и достаточно компактной конструкции удается расположить четыре газоразрядных камеры.

Этот лазер является наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту, т.е. прототипом.

Недостатки прототипа заключаются в ограничении выходной мощности лазера и небольшом коэффициенте полезного действия из-за больших потерь давления при резких поворотах газового потока и при прохождении газа через теплообменник.

Задачами предлагаемого изобретения являются увеличение выходной мощности лазера и его коэффициента полезного действия, повышение надежности и компактности.

Указанные задачи в представленном лазере с поперечной прокачкой газовой смеси реализуются за счет того, что корпус имеет прямоугольное сечение в качестве прокачного средства используется встроенный в корпус осевой компрессор, к выходу компрессора подсоединена расширяющая насадка, на внутренней торцевой поверхности корпуса имеются профили, образующие вместе с насадкой разделитель газового потока, разворачивающий направление газового потока на 180^o, наружные ветви газового контура образованы боковыми стенками корпуса и плоскими панелями, расположенными параллельно стенкам корпуса и при последовательном соединении друг с другом кромками образующими конфузоры, электродные плиты газоразрядных камер и диффузоры, причем вторые электродные плиты газоразрядных камер закреплены на внутренних боковых стенках корпуса при направлении газового потока в газоразрядных камерах параллельно оси корпуса, во входной части газоразрядных камер в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, размещены предионизаторы, к выходу диффузоров подсоединены теплообменные системы, выходные торцы которых прикреплены к соединителю газового потока в общую ветвь, образованную подсоединенной к выходу в компрессор сужающейся насадкой и профилированными торцевыми поверхностями корпуса, а зеркала резонатора размещены в углах прямоугольного сечения корпуса.

Использование в качестве прокачного средства встроенного осевого компрессора вместо центробежного вентилятора с наружным приводом позволяет отказаться от ввода вращающегося вала и других частей в герметичный корпус и тем самым повысить надежность работы лазера.

Прямоугольное сечение корпуса с расположением зеркал резонатора в углах сечения, а плоскостей газоразрядных камер параллельно оси корпуса, образование наружных ветвей газового контура боковыми стенками корпуса и закрепление на этих стенках электродных плит газоразрядных камер, а также использование в качестве разделителя и соединителя газового потока профилированных торцевых поверхностей корпуса позволяет убрать непроизводительные выпуклости сечения корпуса между зеркалами и повысить компактность конструкции.

Расширяющаяся насадка на выходе компрессора, сужающаяся насадка на входе компрессора, профилированные торцевые боковые поверхности корпуса с плавными изменениями хода газового потока, направление газового потока параллельно оси корпуса, наличие конфузоров и диффузоров на входе и выходе газоразрядных камер, а также расположение теплообменных систем в каждой ветви, т.е. в большом поперечном сечении газового потока, приводят к снижению потерь давления в газовом контуре. Размещение во входной части газоразрядных камер в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, предионизатора позволяет осуществить зажигание тлеющего разряда в газовой смеси при меньшем напряжении на электродных системах, тем самым снизить потери энергии на приэлектродных участках. Снижение потерь давления в газовом контуре и уменьшение потерь энергии на приэлектродных участках газового разряда приводит к повышению коэффициента полезного действия и выходной мощности лазера.

Кроме того, использование в качестве прокачного средства осевого компрессора вместо центробежного вентилятора позволяет значительно увеличить расход газа в газовом потоке, что приводит к повышению выходной мощности лазера.

Предложенный лазер с поперечной прокачкой газовой смеси может отличаться тем, что корпус состоит из секций, расположенных вдоль газового потока, внутри каждой секции имеются газоразрядные камеры с предионизаторами, конфузорами и диффузорами, теплообменные системы и закрепленные на рамах зеркала общего оптического резонатора, а рамы скреплены продольными стяжками, причем в начале первой секции размещено заднее глухое зеркало, в последней секции в конце хода лазерного луча размещена отражательно-выводная зеркальная система резонатора, на выходе и входе остальных секций зеркала расположены под углом 45^o к плоскости оптической оси каждой секции для передачи лазерного луча из секции в секцию. Многосекционность оказывается возможной благодаря использованию в качестве прокачного средства осевого компрессора, способного обеспечить повышенный расход газовой смеси и достаточный напор, а также из-за снижения потерь давления в газовом контуре. В результате мощность лазера в некотором интервале возрастает пропорционально количеству секций в лазере при сохранении высокой и степени компактности.

На фиг. 1 показано внутреннее расположение элементов контура при виде сбоку; на фиг. 2 поперечный разрез лазера по сечению А-А; на фиг. 3 - внутреннее расположение элементов отражательно-выводной зеркальной системы и узла вывода при виде А.

Предложенный лазер состоит из герметичного корпуса прямоугольного сечения 1, внутри которого размещены элементы газового контура, образующие общую внутреннюю ветвь 2 и четыре наружные ветви 3. Соосно с корпусом 1 расположен встроенный в корпус осевой компрессор 4, к выходу его подсоединена расширяющаяся насадка 5. Внутренняя торцевая поверхность корпуса имеет профили 6, образующие вместе с насадкой 5 разделитель газового потока 7. К кромкам расширяющейся насадки 5 прикреплены четыре плоские панели 8, образующие конфузор на входе газовых потоков 3 в четыре газоразрядные камеры 9. К выходу из газоразрядных камер подсоединены плоские панели, образующие диффузор 10. Газоразрядные камеры 9 расположены параллельно оси корпуса, причем одни их электродные плиты 11 прикреплены к панелям конфузора 8 и диффузора 10, а вторые электродные плиты 12 закреплены на внутренних боковых стенках корпуса 1.

Во входной части газоразрядных камер 9 в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, размещены предионизаторы 13, которые обычно представляют собой цилиндрические стержни. К входу диффузоров 10 подсоединены теплообменные системы 14, выходные части теплообменников 14 соединены с одной стороны с сужающейся насадкой 15 на входной части осевого компрессора 4, а с другой стороны с торцевыми стенками корпуса 1, имеющими на внутренней поверхности профили 16. Насадка 15 и профили 16 образуют соединитель 17 четырех наружных ветвей 3 газового потока в одну внутренню ветвь 2.

Оптический резонатор состоит из заднего глухого зеркала 18, трех поворотных зеркал 19, 20, 21, расположенных под углом 45^o к ходу лазерного луча и отражательно-выводной зеркальной системы 22. Зеркала 18, 19, 20, 21 размещены в углах прямоугольного сечения корпуса 1.

Отражательно-выводная зеркальная система 22 состоит из внутреннего зеркала 23, расположенного перпендикулярно к ходу лазерного луча, и внешнего зеркала 24, расположенного под углом 45^o к ходу лазерного луча и направляющего лазерный луч большего диаметра, чем внутренний диаметр зеркала 23, в узел вывода лазерного луча 25 (фиг. 3).

Зеркала резонатора 18, 19, 20, 21 и отражательно-выводная зеркальная система 22 закреплены при помощи кронштейнов 27 и узлов крепления 28 на раме 26, размещенной внутри корпуса 17
На фиг. 4 показано внутреннее расположение элементов газового контура при виде сбоку лазера, корпус которого состоит из нескольких секций, в данном случае из трех секций 1а, 1б, 1в, соединенных последовательно друг с другом. Внутри каждой секции имеются газоразрядные камеры 9а, 9б, 9в с предионизаторами 13а, 13б, 13в, конфузорами 8а, 8б, 8в и диффузорами 10а, 10б, 10в, а также теплообменные системы 14а, 14б, 14в. В каждой секции зеркала оптического резонатора 18, 19, 20, 21, 22 закреплены на рамах 26а, 26б, 26в, а рамы 26а, 26б, 26в скреплены продольными стяжками 29.

Схема прохождения лазерного трехсекционного лазера показана на фиг. 5. В первой секции (зеркала обозначены индексом "а") размещено заднее глухое зеркало 18а, в последней секции (зеркала обозначены индексом "в") в конце хода лазерного луча размещена отражательно-выводная зеркальная система 22в. На выходе из первой и второй секций зеркала 22а и 22б, а также на входе во вторую и третью секции зеркала 18б и 18в расположены под углом 45^o к плоскости оптической оси каждой секции. Для обеспечения прохождения лазерного луча в каждой секции по прямоугольной траектории зеркала 18а и 18б могут быть смещены по направлению к зеркалам 19а и 19б на небольшое расстояние, а отражательно-выводная зеркальная система 22в по направлению к зеркалу 21в.

Представленный электроразрядный лазер с поперечной прокачкой газовой смеси работает следующим образом. В герметичный корпус 1 напускается газовая смесь, содержащая в частности молекулы CO₂ и N₂ в требуемой пропорции. В качестве хладагента в газовой смеси может использоваться гелий. При включении осевого компрессора 4 газовая смесь проходит через внутреннюю ветвь 2, поступает в разделитель газового потока 7, образованный насадкой 5 на выходе компрессора 4 и профилями 6 на внутренней торцевой поверхности корпуса 1. В разделителе 7 газовый поток направляется к боковым стенкам корпуса 1 и разделяется на четыре наружных ветви 3, причем направление потока при этом изменяется на 180^o. Далее газовая смесь проходит через четыре газоразрядные камеры 9, к входу которых подсоединены конфузоры 8 и диффузоры 10, способствующие выравниванию газового потока и уменьшению потерь давления. В газоразрядных камерах 9 осуществляется возбуждение активной среды, т.е. газовой смеси, в тлеющем разряде при подаче высокого напряжения на парные электродные плиты, причем одни из плит 11 прикреплены к панелям конфузора 8 и диффузора 10, а вторые плиты 12 закреплены на внутренних боковых стенках корпуса 1. Подача высокого напряжения на предионизаторы 13 позволяет уменьшить напряжение, при котором зажигается тлеющий разряд.

Формирование лазерного луча осуществляется в оптическом резонаторе при многократном отражении его от заднего глухого зеркала 18, трех поворотных зеркал 19, 20, 21 и внутреннего зеркала 23 отражательно-выводной зеркальной системы 22, расположенного перпендикулярно к ходу лазерного луча. Все зеркала оптического резонатора закреплены на раме 26 с помощью кронштейнов 27 и узлов крепления 28, для прохождения лазерного луча кронштейны имеют отверстия на его траектории. Рама представляет собой прямоугольную конструкцию, собранную, в частности из труб, и прикрепленную к стенкам корпуса 1. Для коррекции траектории лазерного луча все зеркальные элементы оптического резонатора снабжены юстировочными приспособлениями.

Световая волна образуется в приосевой области и распространяется к периферии зеркал перпендикулярно траектории лазерного луча, т.е. оптической оси. Достигнув по размерам внутреннего диаметра внешнего зеркала 24 отражательно-выводной зеркальной системы 22, лазерный луч кольцевой формы отклоняется зеркалом 24 под углом 90^o к плоскости оптической оси в узел вывода 25. Через узел вывода 25 лазерный луч выходит из корпуса 1 наружу.

Нагретая в результате вынужденных квантовых переходов и отработанная газовая смесь уносится из газоразрядных камер 9 в диффузоры 10, а затем в теплообменные системы 14, где она охлаждается. Расширение газового потока в диффузорах, а также наличие четырех теплообменных систем 10 способствуют повышению эффективности охлаждения и снижению потерь давления в контуре.

Разовая смесь из теплообменников поступает в соединитель газового потока 17, образованный насадкой 15 выходной части осевого компрессора 4 и профилями 16 на внутренних поверхностях торцевых стенок корпуса 1. В соединителе 17 четыре наружные ветви 3 газового потока разворачиваются на 180^o и соединяются в одну внутреннюю ветвь 2.

В электроразрядном лазере, состоящем из нескольких секций, газовый поток в четырех внешних ветвях 3 последовательно проходит через секции 1в, 1б, 1а и, соответственно, через конфузоры 8в, 8б, 8а, газоразрядные камеры 9в, 9б, 9а с предионизаторами 13в, 13б, 13а, диффузоры 10в, 10б, 10а, а также теплообменные системы 14в, 14б, 14а.

Формирование лазерного луча осуществляется при многократном отражении от заднего глухого зеркала 18а, поворотных зеркал 19а, 20а, 21а, 22а, 18б, 19б, 20б, 21б, 22б, 18в, 19в, 20в, 21в и внутреннего зеркала 23 отражательно-выводной зеркальной системы 22в. С помощью зеркал 22а и 22б лазерный луч выводится из секций 1а и 1б, а с помощью зеркал 18б и 18в он принимается в секции 1б и 1в.

Попадая на внешнее зеркало 24 отражательно-выводной зеркальной системы 22в лазерный луч кольцевой формы отклоняется на угол 90^o относительно плоскости оптической оси в узел вывода 25 и выводится из корпуса 1. При этом мощность лазера увеличивается пропорционально количеству секций.

Использование. Предлагаемое изобретение относится к области лазерного оборудования, а точнее к электроразрядным лазерам с поперечной прокачкой газовой смеси, имеющим в газовом контуре несколько газоразрядных камер. Сущность: корпус лазера имеет прямоугольное сечение, в качестве прокачного средства используется встроенный в корпус осевой компрессор, к выходу компрессора подсоединена расширяющая насадка, на внутренней торцевой поверхности корпуса имеются профили, образующие вместе с насадкой разделитель газового потока, разворачивающий направление газового потока на 180^o, наружные ветви газового контура образованы боковыми стенками корпуса и плоскими панелями, расположенными параллельно стенкам корпуса и при последовательном соединении друг с другом кромками, образующими конфузоры, электродные плиты газоразрядных камер и диффузоры, причем вторые электродные плиты газоразрядных камер закреплены на внутренних боковых стенках корпуса при направлении газового потока в газоразрядных камерах параллельно оси корпуса, во входной части газоразрядных камер в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, размещены предионизаторы, к выходу диффузоров подсоединены теплообменные системы, выходные торцы которых прикреплены к соединителю газового потока в общую ветвь, образованную подсоединенной к выходу в компрессор сужающейся насадкой и профилированными торцевыми поверхностями корпуса, а зеркала резонатора размещены в углах прямоугольного сечения корпуса. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электроразрядный лазер с поперечной прокачкой газовой смеси, включающий в свой состав герметичный осесимметричный корпус, внутри которого размещены элементы газового контура, формирующие проходящую вдоль оси корпуса общую внутреннюю ветвь, в которой соосно с корпусом расположено прокачное средство, а также формирующие четыре наружные ветви, проходящие вдоль боковых стенок корпуса и имеющие направление газового потока противоположно внутренней ветви, при этом четыре наружные ветви образованы разделителем газового потока, подсоединенными к выходам разделителя четырьмя газоразрядными камерами, установленными под прямым углом одна к другой в периферийных областях сечения корпуса, а также соединителем в общую внутреннюю ветвь выходящего из четырех газоразрядных камер газового потока, расположенный внутри корпуса неустойчивый оптический резонатор, состоящий из закрепленных на раме заднего глухого зеркала трех поворотных зеркал, расположенных под углом 45^o к ходу лазерного луча, и отражательно-выводной зеркальной системы резонатора, обеспечивающих прохождение оптической оси через газоразрядные камеры по прямоугольной траектории в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, теплообменные системы, а также узел вывода лазерного луча из корпуса, отличающийся тем, что корпус выполнен с прямоугольным сечением, в качестве прокачного средства использован встроенный в корпус осевой компрессор, к входу компрессора подсоединена расширяющаяся насадка, на внутренней торцевой поверхности корпуса имеются профили, образующие вместе с насадкой разделитель газового потока, разворачивающий направление газового потока на 180^o, наружные ветви газового контура образованы боковыми стенками корпуса и плоскими панелями, расположенными параллельно стенкам корпуса и при последовательном соединении одна с другой кромками, образующими конфузоры, электродные плиты и диффузоры, причем вторые электродные плиты газоразрядных камер закреплены на внутренних боковых стенках корпуса при направлении газового потока в газоразрядных камерах параллельно оси корпуса, во входной части газоразрядных камер в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, размещены предыонизаторы, к выходу диффузоров подсоединены теплообменные системы, выходные торцы которых прикреплены к соединителю газового потока в общую ветвь, образованную подсоединенной к входу в компрессор сужающийся насадкой и профилированными торцевыми поверхностями корпуса, а зеркала резонатора размещены в углах прямоугольного сечения корпуса. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что корпус состоит из секций, расположенных вдоль газового потока, внутри каждой секции имеются газоразрядные камеры с предыонизаторами, конфузорами и диффузорами, теплообменные системы и закрепленные на рамах зеркала общего оптического резонатора, а рамы скреплены продольными стяжками, причем в начале первой секции размещено заднее глухое зеркало, в последней секции в конце хода лазерного луча размещена отражательно-выводная зеркальная система резонатора, на выходе и входе остальных секций зеркала расположены под углом 45^o к плоскости оптической оси каждой секции для передачи лазерного луч из секции в секцию.