УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРА С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОБЪЕМНЫМ САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ РАЗРЯДОМ Российский патент 1999 года по МПК H01S3/97 H01S3/03 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройству лазера с возбуждением объемным самостоятельным разрядом (ОСР), работающего в импульсно-периодическом режиме, и может быть использовано в решении технологических и лазерно-химических задач. Предпочтительно использовать заявляемое устройство лазера с активными средами на основе XeCl, KrF, ArF, HF, DF и др. Устройство также может быть использовано для решения плазменно-химических задач и задач по очистке газовых сред от пыли, аэрозолей и т.п.

Известно устройство CO₂-лазера с возбуждением ОСР, включающее лазерный объем, ограниченный внешней металлической оболочкой и двумя герметично соединенными с ней металлическими фланцами. Внутри лазерного объема размещены два установленных параллельно электрода, один из которых выполнен цельнометаллическим, а другой - перфорированным. Цельнометаллический катод установлен на внутренней поверхности диэлектрической плиты, вставленной в отверстие в металлической оболочке и герметично соединенной с ней. Перфорированный анод установлен на металлическом элементе, формирующем поток активной газовой среды с направлением скорости, параллельным рабочим поверхностям электродов. Внутри лазерного объема размещены система прокачки и теплообменник, а также дополнительные направляющие элементы, формирующие поток активной среды. С наружной поверхности диэлектрической плиты расположены источник накачки лазера, выполненный в виде единого модуля. Обратные токопроводы, установленные с обеих сторон разрядного промежутка, соединяют анодный электрод с наружной металлической оболочкой (Rеv. Sci. Instrum. Vol 64, N 11, Nov 1993, pp. 3061-3065 [1]). Аналогичное устройство имеют эксимерные и химические лазеры.

К недостаткам устройства лазера следует отнести сложности герметизации диэлектрической плиты с внешней металлической оболочкой, низкую устойчивость внешней оболочки с прямоугольным сечением к перепадам давления внутри лазерного объема, относительно большую индуктивность контура накачки, большой коэффициент сменности активной смеси газа ≈ 2,5 ... 5, а следовательно, высокую скорость рабочего газа, что приводит к большим затратам мощности на прокачку газовой смеси, большую величину рассеянного электромагнитного излучения вне лазерного устройства при его работе.

Известно устройство для формирования ОСР, содержащее разрядную камеру с параллельно расположенными в ней по крайней мере двумя электродами, образующими разрядный промежуток, источник накачки с общими шинами, подключенными к указанным электродам, первый электрод, выполненный из отдельных пластин, первую группу отдельных стабилизирующих элементов, каждый из которых одним концом соединен с пластиной первого электрода, а другим - с общей шиной источника накачки, источник выполнен из отдельных электрически не связанных секций со своими общими шинами, остальные электроды выполнены из пластин, лежащих в плоскостях пластин первого электрода либо параллельных им, каждый из стабилизирующих элементов второй группы соединен одним концом с пластиной второго электрода, а другим с общей шиной секции источника накачки. Источник накачки выполнен из двух разнополярных частей, причем первый электрод соединен с общими шинами первой части источника накачки, а второй - с общими шинами второй части. Отдельные секции источника накачки установлены с боковых сторон разрядного промежутка (заявка на патент России N 96121895/25/028500 от 12.11.96, кл. H 01 S 3/097 [2]).

При реализации данного устройства в лазере возникнут сложности с размещением двух секций источника накачки с боковых сторон разрядного промежутка токовводами в лазерную камеру, соединяющими источник накачки с электродами, организацией потока активной газовой среды с направлением скорости, перпендикулярным рабочим поверхностям электродов, а также выполнением компактного устройства лазера.

Известно устройство лазера с возбуждением ОСР, содержащее объем, ограниченный внешней цилиндрической оболочкой, расположенной в ее полости внутренней цилиндрической диэлектрической оболочкой с осью, параллельной оси внешней оболочки, и двумя герметично соединенными с указанными оболочками торцевыми фланцами, размещенные в лазерном объеме два установленных параллельно частично прозрачных для газового потока электрода, образующих разрядный промежуток, и систему прокачки, создающую поток активной газовой среды, огибающий внутреннюю цилиндрическую диэлектрическую оболочку и имеющий направление скорости в разрядном промежутке, перпендикулярное рабочим поверхностям указанных электродов, источник накачки лазера, расположенный в полости, ограниченной внутренней цилиндрической диэлектрической оболочкой, электрически соединенный с двумя электродами (патент США N 4611327, кл. H 01 S 3/097, 1986 [3]).

К недостаткам устройства следует отнести низкую устойчивость электродов на основе конструкций из сетки к дугообразованию, относительно высокое сопротивление потоку газа и значительные неоднородности активной среды при организации потока газа через сеточные электроды, повышенную индуктивность контура разряда при одностороннем расположении источника накачки, а также сложности с электрической изоляцией высоковольтного электрода от внешней цилиндрической оболочки.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание лазерного устройства, позволяющего при компактном его исполнении уменьшить до предельных величин индуктивность подсоединения источника канавки к разрядному промежутку, осуществить конструктивно простейший токоввод, соединяющий электроды с источником накачки лазера, создать источник накачки лазера и лазерную камеру, обладающие повышенной электропрочностью, максимально уменьшить электромагнитное излучение вне лазерного устройства, организовать поток газа с минимальным сопротивлением и неоднородностями плотности активной среды в разрядном промежутке, что необходимо как для создания импульсно-периодических лазеров с высокой частотой следования импульсов, так и для существенного увеличения объема и энергетики лазеров, особенно работающих на активных средах, требующих малого времени ввода электрической энергии в активную среду лазера, таких как химические, эксимерные с активными средами на основе ArF, KiF и др.

Указанные недостатки могут быть преодолены в устройстве лазера, где по отношению к известному устройству лазера с возбуждением ОСР, содержащему лазерный объем, ограниченный внешней цилиндрической оболочкой, расположенной в ее полости внутренней цилиндрической диэлектрической оболочкой с осью, параллельной оси внешней оболочки, и двумя герметично соединенными с внешней цилиндрической оболочкой торцевыми фланцами, размещенные в лазерном объеме два установленных параллельно частично прозрачных для газового потока электрода, образующих разрядный промежуток, и систему прокачки, создающую поток активной газовой среды, огибающий внутреннюю цилиндрическую диэлектрическую оболочку и имеющий направление скорости в разрядном промежутке, перпендикулярное рабочим поверхностям указанных электродов, источник накачки лазера, расположенный в полости, ограниченной внутренней цилиндрической диэлектрической оболочкой, электрически соединенный с двумя электродами, новым является то, что в полости, ограниченной внешней цилиндрической оболочкой, установлена вторая внутренняя цилиндрическая диэлектрическая оболочка с осью, параллельной оси внешней оболочки, в ее полости установлен второй источник накачки лазера, указанные электроды установлены между обеими диэлектрическими оболочками и электрически соединены с обоими источниками накачки, а система прокачки совместно с дополнительными направляющими элементами формирует две ветви потока активной газовой среды, каждая из которых огибает свою цилиндрическую диэлектрическую оболочку.

Во втором варианте выполнения устройства новым является то, что оба электрода выполнены из пластин, между которыми установлены элементы из диэлектрика или металла, формирующие поток газовой среды с направлением скорости, перпендикулярным рабочей кромке пластин.

В третьем варианте выполнения устройства новым является то, что оси внутренних цилиндрических диэлектрических оболочек расположены в диаметральной плоскости внешней цилиндрической оболочки, каждый из двух источников накачки выполнен из двух разнополярных частей, имеющих общие точки, причем первый электрод электрически соединен с первыми частями источников накачки, а второй электрод - со вторыми частями, общие точки разнополярных частей каждого источника накачки расположены на прямой, ближайшей к верхней цилиндрической оболочке, равноудаленно относительно обоих электродов.

В четвертом варианте выполнения устройства новым является то, что по длине разрядного промежутка лазер выполнен из отдельных одинаковых электрически несвязанных по сильноточной цепи модулей, каждый из которых включает одинаковые по длине вдоль оси разрядного промежутка секции обоих источников накачки, соединенные с секцией двух электродов.

В пятом варианте выполнения устройства новым является то, что лазерный объем дополнительно ограничен торцевыми фланцами, герметично соединенными с внутренними цилиндрическими диэлектрическими оболочками.

Указанные отличия позволяют создать лазерное устройство, обладающее максимальной компактностью и устойчивостью к перепадам давления в лазерном объеме, имеющее минимальную индуктивность подсоединения разрядного промежутка к источнику накачки, реализовать повышенную электропрочность устройства и осуществить простейший токоввод, соединяющий электроды с источником накачки лазера, организовать поток газа с минимальным сопротивлением и неоднородностями плотности активной среды в разрядном промежутке и минимизировать потери давления при прокачке, максимально уменьшить электромагнитное излучение вне лазерного устройства, упростить конструкцию за счет ее симметризации. Все вышеуказанное позволяет создать импульсно-периодические лазеры с высокой частотой следования импульсов или существенно увеличить объем и энергетику лазеров, особенно работающих на активных средах, требующих малого времени ввода энергии в активную среду лазера, таких как химические, эксимерные с активными средами на основе ArF, KrF и др.

Не обнаружены технические решения, в которых в полости, ограниченной внешней цилиндрической оболочкой, установлена вторая внутренняя цилиндрическая диэлектрическая оболочка с осью, параллельной оси внешней оболочки, в ее полости установлен второй источник накачки лазера, указанные электроды установлены между обеими диэлектрическими оболочками и электрически соединены с обоими источниками накачки, а система прокачки совместно с дополнительными направляющими элементами формирует две ветви потока активной газовой среды, каждая из которых огибает свою цилиндрическую диэлектрическую оболочку, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".

Указанные отличия позволяют реализовать задачу, на решение которой направлено изобретение, и получить необходимый технический результат - создать лазерное устройство, обладающее максимальной компактностью и устойчивостью к перепадам давления в лазерном объеме, имеющее минимальную индуктивность подсоединения разрядного промежутка к источнику накачки, реализовать повышенную электропрочность устройства и осуществить простейший токоввод, соединяющий электроды с источником накачки лазера, уменьшить электромагнитное излучение вне лазерного устройства, упростить конструкцию за счет ее симметризации, минимизировать потери давления при прокачке. Именно размещение в полости, ограниченной внешней цилиндрической оболочкой, второй внутренней цилиндрической диэлектрической оболочки с осью, параллельной оси внешней оболочки, установка в ее полости второго источника накачки лазера, размещение электродов между обеими диэлектрическими оболочками и электрическое соединение их с обоими источниками накачки позволяют осуществить двусторонний токоподвод электрической энергии к плазме разряда, что примерно вдвое уменьшает его индуктивность и симметризует конструкцию. Использование части поверхности обеих диэлектрических оболочек в качестве изолятора как в источнике накачки, так и в лазерной камере позволяет существенно упростить токоввод, соединяющий источник накачки с электродами лазера, и в целом повысить электропрочность конструкции лазерного устройства. Размещение источников накачки и разрядного промежутка внутри объема, ограниченного внешней металлической цилиндрической оболочкой и двумя металлическими фланцами, позволяет практически полностью исключить внешнее электромагнитное излучение при работе лазера. Система прокачки совместно с дополнительными направляющими элементами, формирующая две ветви потока активной газовой среды, каждая из которых огибает свою цилиндрическую диэлектрическую оболочку, позволяет минимизировать потери давления при прокачке газа. Все вышеизложенное позволяет создать относительно простые по конструкции, компактные и надежные импульсно-периодические химические и эксимерные лазеры с активными средами на основе ArF, KrF и др. как с высокой частотой следования импульсов, так и с существенно увеличенным объемом и энергетикой.

Не обнаружены технические решения, в которых оба электрода выполнены из пластин, между которыми установлены элементы из диэлектрика или металла, формирующие поток газовой среды с направлением скорости, перпендикулярным рабочей кромке пластин, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".

Указанные отличия позволяют организовать поток газа с минимальным сопротивлением и неоднородностями плотности активной среды в разрядном промежутке и минимизировать потери давления при прокачке.

Известно устройство, в котором использован отличительный от прототипа признак - выполнение источника накачки из двух разнополярных частей, имеющих общие точки, причем первый электрод электрически соединен с первыми частями источников накачки, а второй электрод - со вторыми частями (патент России N 2029423, кл. H 01 S 3/09, 3/097, 1992 [4]). Технический результат, достигаемый при использовании этого признака, в изобретении и в известных устройствах одинаков.

Не обнаружены технические решения, в которых оси внутренних цилиндрических диэлектрических оболочек расположены в диаметральной плоскости внешней цилиндрической оболочки, а общие точки разнополярных частей каждого источника накачки расположены на прямой, ближайшей к внешней цилиндрической оболочке, равноудаленно относительно обоих электродов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".

Указанные отличия позволяют выполнить источник накачки с минимальной индуктивностью, добиться его необходимой электропрочности в достаточно простой конструкции.

Не обнаружены технические решения, в которых по длине разрядного промежутка лазер выполнен из отдельных одинаковых электрически несвязанных по сильноточной цепи модулей, каждый из которых включает одинаковую по длине вдоль оси разрядного промежутка секцию обоих источников накачки, соединенную с секцией двух электродов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".

Указанные отличия позволяют при случайном возникновении дуги между электродами одного модуля ограничить ее энергию запасенной в указанном модуле, что уменьшает возможность разрушения электродов. При разработке лазеров с относительно большой длиной появляется возможность разработки и изготовления одного модуля, а затем, тиражируя модули, увеличивать длину и энергетику лазера.

Не обнаружены технические решения, в которых лазерный объем дополнительно ограничен торцевыми фланцами, герметично соединенными с внутренними цилиндрическими диэлектрическими оболочками, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".

Указанные отличия позволяют максимально упростить конструкцию торцевых фланцев, соединенных с внешней цилиндрической оболочкой, и получить радиально симметричную нагрузку на них, что особенно важно при неравенстве давления в устройстве и вне его и больших диаметрах внешней цилиндрической оболочки.

На фиг. 1 и 2 представлено заявляемое устройство по пп. 1, 2, 3, 4 формулы, на фиг. 3 - то же, но по п. 5.

Устройство лазера содержит лазерный объем 1, ограниченный внешней цилиндрической оболочкой 2, расположенными в ее полости двумя внутренними цилиндрическими диэлектрическими оболочками 3, 4 с осями 5, 6, параллельными оси 7 внешней оболочки 2, и двумя герметично соединенными с внешней цилиндрической оболочкой торцевыми фланцами 8, два установленных между обеими диэлектрическими оболочками 3, 4 частично прозрачных для газового потока электрода 9, 10, расположенных параллельно и образующих разрядный промежуток 11, систему прокачки 12, совместно с дополнительными направляющими элементами 13 формирующую две ветви 14, 15 потока активной газовой среды, каждая из которых огибает свою цилиндрическую диэлектрическую оболочку 3, 4 и имеет направление 16 скорости в разрядном промежутке 11, перпендикулярное рабочим поверхностям 17 электродов 9, 10, источники накачки 18, 19 лазера, расположенные в полостях, ограниченных внутренними цилиндрическими диэлектрическими оболочками 3, 4, и электрически соединенные с двумя электродами 9, 10.

Оба электрода 9, 10 выполнены из пластин 20, между которыми установлены элементы 21 из диэлектрика или металла, формирующие поток газовой среды с направлением 16 скорости, перпендикулярным рабочей кромке 17 пластин 20.

Оси 5, 6 внутренних цилиндрических диэлектрических оболочек 3, 4 расположены в диаметральной плоскости внешней цилиндрической оболочки 2, каждый из двух источников накачки 18, 19 выполнен из двух разнополярных частей 22, 23, имеющих общие точки 24, причем первый электрод 9 электрически соединен с первыми частями 22 источников накачки 18, 19, а второй 10 электрод электрически соединен со вторыми 23 частями источников накачки 18, 19, общие точки 24 разнополярных частей 22, 23 каждого источника накачки 18, 19 расположены на прямой 25, ближайшей к внешней цилиндрической оболочке 2, равноудаленно относительно обоих электродов 9, 10.

По длине разрядного промежутка 11 лазер выполнен из отдельных одинаковых электрически несвязанных по сильноточной цепи модулей 26, каждый из которых включает одинаковую по длине вдоль оси разрядного промежутка свою секцию 27 обоих источников накачки 18, 19, соединенную со своей секцией 28 двух электродов 9, 10.

Лазерный объем 1 (фиг. 3) дополнительно ограничен торцевыми фланцами 29, герметично соединенными с внутренними цилиндрическими диэлектрическими оболочками 3 и 4.

Лазерное устройство по пп. 1, 2, 3, 4, 5 формулы изобретения работает следующим образом. Включают систему прокачки 12, которая совместно с дополнительными направляющими элементами 13 и 21 формирует две ветви 14, 15 потока активной газовой среды, каждая из которых огибает свою цилиндрическую диэлектрическую оболочку 3, 4 и имеет направление 16 скорости в разрядном промежутке 11, перпендикулярное рабочим поверхностям 17 электродов 9, 10. Подают импульс высокого напряжения от источника накачки 18, 19 на электроды 9, 10. Перед подачей высоковольтного импульса на электроды 9, 10 за доли микросекунды возможно включение какого-либо источника предыонизации, расположенного, например, либо с тыльной стороны одного из электродов 9, 10, либо с боковых сторон разрядного промежутка 11. В результате между электродами (между каждой парой расположенных друг напротив друга пластин 20) в разрядном промежутке 11 возникают плазменные образования, в которых осуществляется возбуждение активной лазерной среды и развивается импульс генерации. Далее система прокачки 12 выдувает остывающее плазменное образование из разрядного промежутка 11. После этого цикл повторяется.

Рассмотрим конкретное устройство на примере KrF-лазера на смеси Kr:F₂: He= 10: 1: 400 при общем давлении до 2,5 атм. Диаметр внешней металлической оболочки составил 850 мм. Диаметр двух внутренних диэлектрических оболочек составил 300 мм. Система прокачки состоит из одного диаметрального вентилятора. Электродная система для формирования ОСР образована двумя электродами с общей длиной 660 мм, состоящими из двух секций по 330 мм, набранными из пластин толщиной 0,5 мм, образующими разрядный промежуток 60 мм. Запасаемая энергия емкостного накопителя источника накачки, состоящего из двух разнополярных частей, достигала 200 Дж при напряжении до ±50 кВ. Максимальный КПД лазера составил 3,1% при энергии генерации 5,2 Дж. Система прокачки обеспечивает работу с частотой до 12 Гц. Заявленное устройство на примере KrF-лазера показало высокую эффективность. Такой образец KrF-лазера может найти применение при создании лидарных комплексов и в научных исследованиях.

Источники информации
1. Rev. Sci, Instrum. Vol.64, N 11, Nov 1993, pp. 3061-3065.

2. Заявка на патент России N 96121895/25/028500 от 12.11.96, кл. H 01 S 3/097.

3. Патент США N 4611327, кл. H 01 S 3/097, 1986.

4. Патент России N 2029423, кл. H 01 S 3/09, 3/097, 1992.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на основе KrF, ArF, HF, DF. Источники накачки 18, 19 лазера размещены в двух полостях, образованных двумя цилиндрическими диэлектрическими оболочками 3, 4, между которыми установлены два частично прозрачных для газового потока электрода 9, 10. Система прокачки 12 создает две ветви 14, 15 потока активной газовой среды, огибающие цилиндрические диэлектрические оболочки 3, 4. Потоки имеют направление 16 скорости в разрядном промежутке 11, перпендикулярное рабочим поверхностям 17 электродов 9, 10. Электроды 9, 10 выполнены из пластин 20, между которыми установлены элементы 21 из диэлектрика или металла. Каждый из двух источников накачки 18, 19 выполнен из двух разнополярных частей 22, 23, имеющих общие точки 24. Первый электрод 9 электрически соединен с первыми частями 22 источников накачки 18, 19, а второй электрод 10 - со вторыми частями 23. Изобретение позволяет создать лазер, обладающий максимальной компактностью, высокой надежностью при существенном увеличении объема и энергетики лазера. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство лазера с возбуждением объемным самостоятельным разрядом, содержащее лазерный объем, ограниченный внешней цилиндрической оболочкой, расположенной в ее полости внутренней цилиндрической диэлектрической оболочкой с осью, параллельной оси внешней оболочки, и двумя герметично соединенными с внешней цилиндрической оболочкой торцевыми фланцами, размещенные в лазерном объеме два установленных параллельно частично прозрачных для газового потока электрода, образующих разрядный промежуток, и систему прокачки, создающую поток активной газовой среды, огибающий внутреннюю цилиндрическую диэлектрическую оболочку и имеющий направление скорости в разрядном промежутке, перпендикулярное рабочим поверхностям указанных электродов, источник накачки лазера, расположенный в полости, ограниченной внутренней цилиндрической диэлектрической оболочкой, электрически соединенный с двумя электродами, отличающееся тем, что в полости, ограниченной внешней цилиндрической оболочкой, установлена вторая внутренняя цилиндрическая диэлектрическая оболочка с осью, параллельной оси внешней оболочки, в ее полости установлен второй источник накачки лазера, указанные электроды установлены между обеими диэлектрическими оболочками и электрически соединены с обоими источниками накачки, а система прокачки совместно с дополнительными направляющими элементами формирует две ветви потока активной газовой среды, каждая из которых огибает свою цилиндрическую диэлектрическую оболочку. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оба электрода выполнены из пластин, между которыми установлены элементы из диэлектрика или металла, формирующие поток газовой среды с направлением скорости, перпендикулярным рабочей кромке пластин. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что оси внутренних цилиндрических диэлектрических оболочек расположены в диаметральной плоскости внешней цилиндрической оболочки, каждый из двух источников накачки выполнен из двух разнополярных частей, имеющих общие точки, причем первый электрод электрически соединен с первыми частями источников накачки, а второй электрод - со вторыми частями, общие точки разнополярных частей каждого источника накачки расположены на прямой, ближайшей к внешней цилиндрической оболочке, равноудаленно относительно обоих электродов. 4. Устройство по пп. 1 - 3, отличающееся тем, что по длине разрядного промежутка лазер выполнен из отдельных одинаковых электрически несвязанных по сильноточной цепи модулей, каждый из которых включает одинаковую по длине вдоль оси разрядного промежутка секцию обоих источников накачки, соединенную с секцией двух электродов. 5. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что лазерный объем дополнительно ограничен торцевыми фланцами, герметично соединенными с внутренними цилиндрическими диэлектрическими оболочками.