ГАЗОВЫЙ ПРОТОЧНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1997 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к газоразрядным проточным лазерам с замкнутым контуром непрерывного и импульсно-периодического действия. Изобретение можно также использовать в устройствах, в которых необходимо прокачивать при больших скоростях (100 150 м/с) и низких давлениях (5 50 торр) газовую среду, в том числе и химически агрессивную.

Известны газоразрядные проточные лазеры, содержащие замкнутый контур, в котором размещены электроды, холодильник и газопрокачное устройство в виде компрессора или вентилятора (В.Н.Карнюшин, Р.Н.Солодухин. Макроскопические и молекулярные процессы в газовых лазерах, Москва, Атомиздат, 1981, с. 140. К недостатку подобных лазеров можно отнести необходимость применения смазки во вращающихся узлах газопрокачного устройства, наличие которой может привести к изменению состава рабочего газа, а значит к ухудшению процесса генерации и, соответственно, к снижению средней мощности излучения. Кроме того, для получения больших скоростей прокачки газа через разрядную зону необходимо использовать высокооборотные электродвигатели, работающие, как правило, от 400 герцовых источников напряжения, наличие которых усложняет устройство в целом.

Известно также устройство (Журнал прикладной механики и технической физики, N 2, 1984 г. с. 82-87, фиг. 2 и 4) в виде резонатора Гельмгольца, в объеме горла которого периодически выделяется тепловая энергия, а одна из стенок выполнена подвижной. Выбрасываемый из резонатора нагретый от импульсного источника газ поступает в газоприемник, находящийся на некотором расстоянии от отверстия резонатора. Далее, пройдя по замкнутому контуру, в том числе и через холодильник (на фиг. 2 не показан), охлажденный газ вновь всасывается в резонатор, после чего процесс повторяется. Как понять из описания этого устройства, объем горла акустического резонатора совмещен с рабочим объемом разрядной камеры импульсно-периодического CO₂-лазера, а подвижная стенка используется лишь тогда, когда энерговыделения в разрядной камере недостаточно для возбуждения в акустическом резонаторе колебаний такой интенсивности, при которой обеспечивается полная вентиляция разрядной камеры "свежей" газовой смесью.

Недостатком такого лазерного устройства, взятого нами за прототип, является зависимость частоты следования лазерных импульсов от собственной частоты резонатора Гельмгольца, или, другими словами, частота разрядов в разрядной камере лазера должна быть фиксированной и совпадать с собственной частотой резонатора Гельмгольца, которая определяется геометрическим разрядами резонатора и составом рабочего газа.

Техническим результатом предложенного изобретения является обеспечение возможности работы лазера как в импульсно-периодическом, так и в непрерывном режиме, обеспечение возможности работы с химически агрессивными газовыми средами, а также увеличение средней мощности лазерного излучения.

Указанный технический результат достигается тем, что разрядная камера размещена не в "горле" акустического резонатора, а пристыкована к каналу для формирования газового потока со стороны выхода из него, подвижная стенка акустического резонатора выполнена с возможностью поступательного перемещения, приводящего к изменению объема полости резонатора, в качестве источника колебаний используется генератор механических колебаний, при этом генератор соединен с подвижной стенкой акустического резонатора.

Подвижная стенка акустического резонатора может состоять из четного числа секций, попарно расположенных друг против друга, а их соединение с генератором механических колебаний осуществляется таким образом, что их колебания совершаются в противофазе.

В качестве генератора механических колебаний может быть использован громкоговоритель, при этом диффузор громкоговорителя выполняет роль подвижной стенки акустического резонатора.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема лазера; на фиг. 2 схема лазера с генератором, в качестве которого использован громкоговоритель. Согласно фиг. 1 и 2 лазер содержит газовый контур 1, разрядную камеру 2 с электродами 3, канал 4, предназначенный для формирования газового потока и установленный перед входом в разрядную камеру, холодильник 5, акустический резонатор 6 с подвижной стенкой 7, установленный своей открытой стороной напротив входа в канал 4, генератор механических колебаний 8, установленный вне контура 1 и соединенный посредством штока 9 со стенкой 7, мембрану 10, обеспечивающую герметичный ввод штока 9 в полость контура 1. В качестве генератора механических колебаний может быть использован громкоговоритель 11 (фиг. 2), который устанавливается непосредственно на корпус акустического резонатора. В этом случае роль подвижной стенки выполняет диффузор громкоговорителя, а необходимость в штоке 9 и мембране 10 отпадает. Для исключения возникновения колебаний корпуса акустического резонатора (от которого колебания могут передаться на корпус лазера и, соответственно, на конструкцию оптического резонатора), подвижные стенки должны быть расположены таким образом, что при их колебаниях суммарный импульс, передаваемый на корпус акустического резонатора, был бы близок к нулю. Например, можно расположить подвижные стенки друг против друга и обеспечить их колебания в противофазе (как показано на фиг. 2).

Лазер работает следующим образом.

После напуска в контур 1 рабочего газа, включают генератор механических колебаний 8, от которого через герметичную мембрану 10 посредством штока 9 колебания передаются на подвижную стенку 7 с частотой, равной или близкой к частоте собственных колебаний акустического резонатора 6. В результате в последнем возбуждаются акустические колебания, сопровождающиеся периодически направленным выбросом части газа из полости резонатора 6 в канал 4 и последующим всасыванием в резонатор 6 новой порции газа из окружающего пространства. Схематически движение газа при выбросе из резонатора 6 и при всасывании в него показано на фиг. 1, соответственно, стрелками 1 и 11. В канал 4 помимо газа, выбрасываемого из акустического резонатора 6, поступает еще и газ, эжектируемый из окружающего пространства. В период всасывания газа в резонатор 6 движение в канале 4 продолжается по инерции, причем поступающий в канал 4 газ, так же, как и эжектируемый, подсасывается из окружающего пространства. На фиг. 1 движение газа в результате эжекции схематически показано стрелкой 111. Из канала 4 газ поступает в разрядную камеру 2, далее в холодильник 5, после чего все процессы повторяются.

Как видно из фиг. 1, единственным подвижным элементом в полости лазерного контура является стенка 7 и мембрана 10, которые при работе совершают возвратно-поступательное движение. Эти элементы могут быть выполнены из материалов, отличающихся химической стойкостью по отношению к рабочему газу, заполняющему контур 1. В то же время при их работе не требуется смазки и, следовательно, может быть обеспечена более высокая стабильность рабочего газа. Это, в свою очередь, повышает общий КПД лазера, так как известно, что органические примеси, попадающие в лазерную смесь в виде паров или частичек смазки с поверхности трущихся (вращающихся) деталей газопрокачного устройства, как правило, снижают эффективность лазерной накачки, и, соответственно, при прочных равных условиях, энергию лазерного импульса.

Увеличение средней мощности лазерного излучения объясняется следующим образом. Исходя из описанной выше картины течения, расход газа через объем разрядной камеры 2 (или, что тоже самое, масса газа, проходящая в единицу времени через поперечное сечение канала 4), складывается из расхода газа, поступающего в канал 4 непосредственно из "горла" акустического резонатора, и расхода газа, поступающего в тот же канал 4 за счет эжекции из окружающего пространства. Очевидно, что в результате эжекции через объем разрядной камеры "проходит" больше газа, чем его "проходит" непосредственно через объем "горла" акустического резонатора. Но к большому расходу газа можно подвести и большую энергию (в непрерывном или импульсно-периодическом тлеющем разряде), а значит и получить большую мощность излучения.

Применения в качестве генератора громкоговорителей, работающих, как правило, при низких напряжениях (~15-20 B), позволяет подключать газопрокачное устройство непосредственно в сеть переменного напряжения 220 B (последовательное включение10 громкоговорителей) или использовать стандартный понижающий трансформатор. В этом случае конструкция лазера в целом упрощается.

Таким образом, данное техническое решение позволит обеспечить возможность работы лазера как в импульсно-периодическом, так и в непрерывном режиме, обеспечить возможность работы с химически агрессивными газовыми средами, а также увеличить среднюю мощность лазерного излучения.

Использование: изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к газоразрядным проточным лазерам непрерывного и импульсно-периодического действия. Сущность: лазер включает в себя разрядную камеру, холодильник, газоприемник и газопрокачное устройство в виде акустического резонатора с подвижной стенкой. Колебания давления в акустическом резонаторе и, соответственно, прокачка газа по контуру предложенного лазера возникают в результате колебаний подвижной стенки резонатора, которая соединена с генератором механических колебаний. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газовый проточный лазер, содержащий разрядную камеру, холодильник и газопрокачное устройство в виде акустического резонатора с подвижной стенкой, обращенного открытым торцом к входу в канал для формирования газового потока, отличающийся тем, что разрядная камера пристыкована к каналу для формирования газового потока со стороны выхода из него, подвижная стенка акустического резонатора выполнена с возможностью поступательного перемещения, приводящего к изменению объема полости резонатора, в устройство введен источник колебаний, который выполнен в виде генератора механических колебаний, при этом генератор соединен с подвижной стенкой акустического резонатора. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что подвижная стенка акустического резонатора состоит из четного числа секций, попарно расположенных друг против друга, а их соединение с генератором механических колебаний осуществляется таким образом, что их колебания совершаются в противофазе. 3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что генератор механических колебаний выполнен в виде громкоговорителя, при этом диффузор громкоговорителя является подвижной стенкой акустического резонатора.