ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2000 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться при создании мощных технологических электроразрядных газовых лазеров импульсно-периодического действия.

Одной из наиболее сложных проблем является создание мощных технологических электроразрядных лазеров, имеющих при работе в импульсно-периодическом режиме с высоким КПД большой эксплуатационный ресурс.

В настоящее время наиболее широко распространены импульсно-периодические лазеры, использующие несамостоятельный разряд, поддерживаемый электронным пучком (Патент США, N 3641454, United States Atomic Energy Commission, кл. H 01 S 3/02, 3/22, 3/09, Газовый лазер с электронной накачкой, заявл. 25.05.1970), высокочастотный разряд с модуляцией длительности импульса возбуждения ВЧ разряда (Hugel Н., in Proc. VI Int. Symp. "Gas Flow and Chem. Lasers" { Jerusalem, 1986} p.258) или самостоятельный разряд с применением секционированных электродов, каждая секция которых нагружена на балластное сопротивление, и модулированием добротности резонатора (Патент Франции, N 2389258, кл. H 01 S 3/22, Косырев и др., Газовый лазер, заявл. 24.04.1978, приор. СССР 25.04.1977).

Недостатками лазеров, в которых несамостоятельный разряд контролируется электронным пучком, являются: сложность конструкции и большие габариты из-за наличия электронного ускорителя, малый срок службы в безостановочном режиме (≈10 часов) из-за прорыва под действием электронного пучка металлической фольги, разделяющей вакуумную и газовую камеры, неоднородность накачки рабочей среды из-за большей скорости ионизации вблизи разделительной фольги.

Недостатками лазеров, использующих модулирование длительности высокочастотного разряда, являются низкий КПД высокочастотного источника питания и снижение средней мощности лазера при работе в импульсно-периодическом режиме.

Недостатками лазеров, использующих для накачки самостоятельный разряд, являются низкий КПД из-за неоптимальных условий накачки и больших потерь энергии на балластных сопротивлениях, а также потерь на V-T релаксацию при модулировании добротности резонатора.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является электроразрядный лазер (прототип) (RU, 2107366, H 01 S 3/097, Осипов В. В. , Иванов М.Г, Мехряков В.Н., 1998) с комбинированной системой возбуждения. Плазма в разрядном промежутке создается высоковольтным самостоятельным разрядом короткой длительности, а возбуждение молекул рабочего газа на верхний лазерный уровень осуществляется на длительной стадии рекомбинационного распада плазмы при оптимальной напряженности электрического поля.

Устройство содержит два основных электрода, подключенных через трансформатор тока к основному источнику питания несамостоятельного разряда и емкостным накопителям энергии, а также промежуточный электрод, подключенный через накопительный конденсатор к высоковольтному источнику питания и коммутатору самостоятельного разряда, и через индуктивность к средней точке основных накопителей энергии. При подаче от накопительного конденсатора высоковольтного импульса через коммутатор на промежуточный электрод, между промежуточным и основными электродами зажигаются самостоятельные разряды, создающие плазму с заданной концентрацией электронов. После окончания высоковольтного импульса разряд переходит в несамостоятельную стадию и энергия в газ поступает через основные электроды от основного источника питания. При очередной подаче высоковольтного импульса процесс повторяется.

Недостатком данного устройства является наличие в высоковольтной цепи самостоятельного разряда тиратронного коммутатора или разрядника, имеющих ограниченный ресурс работы (≈10⁷-10⁸ включений) и ограничивающих ресурс работы лазера в целом.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение ресурса работы импульсно-периодического электроразрядного лазера.

Решение технической задачи достигается, если в импульсно-периодическом электроразрядном лазере, содержащем газовую кювету с устройством для прокачки газа и вывода излучения, разрядную камеру с двумя основными электродами, подключенными через трансформатор тока к основному накопителю и основному источнику питания, и одним промежуточным электродом, подключенным к конденсаторам системы предварительной ионизации, и через конденсатор к дополнительному источнику питания и коммутатору, в качестве коммутатора использован коммутатор на магнитных звеньях сжатия, соединенный через конденсатор с прерывателем тока в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных диодов, промежуточный электрод соединен с конденсатором и прерывателем через сборку из параллельных столбов последовательно соединенных высоковольтных выпрямительных диодов, диодные столбы подключены к промежуточному электроду на одинаковом расстоянии друг от друга, а количество диодных столбов и параметры диодов выбраны таким образом, чтобы допустимый импульсный прямой ток всей сборки соответствовал току короткого замыкания дополнительного источника питания, допустимое же обратное напряжение было не ниже напряжения горения самостоятельного разряда.

В заявляемом решении отличительные признаки:
использование коммутатора на магнитных звеньях сжатия, соединенного через конденсатор с прерывателем тока в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных диодов, и с промежуточным электродом через сборку из параллельных столбов последовательно соединенных высоковольтных выпрямительных диодов таким образом, что диодные столбы подключены к промежуточному электроду на одинаковом расстоянии друг от друга, а количество диодных столбов и параметры диодов выбраны таким образом, чтобы допустимый импульсный прямой ток всей сборки соответствовал току короткого замыкания дополнительного источника питания, допустимое же обратное напряжение было не ниже напряжения горения самостоятельного разряда.

Новый технический результат обусловлен тем, что:
В высоковольтной цепи возбуждения самостоятельного разряда установлен высоковольтный коммутатор на магнитных звеньях сжатия, который имеет высокий ресурс работы (≈10¹²-10¹³ включений). Диодная сборка, через которую передается импульс напряжения самостоятельного разряда, не пропускает на промежуточный электрод импульс напряжения, приложенный к прерывателю во время тока прямой накачки. Распределение диодных столбов, составляющих сборку, вдоль промежуточного электрода снижает индуктивность контура самостоятельного разряда, увеличивает крутизну фронта импульса разряда, что повышает однородность самостоятельного разряда и, соответственно, устойчивость несамостоятельного разряда.

На чертеже показана блок-схема импульсно-периодического электроразрядного лазера, в котором промежуточный электрод 3 подключен к обкладкам конденсаторов 12 (вторые обкладки которых подключены к электродам системы предварительной ионизации 13) и через сборку из параллельных столбов последовательно соединенных высоковольтных выпрямительных диодов 11 (диодные столбы подключены к промежуточному электроду на одинаковом расстоянии друг от друга) к прерывателю тока 10 (сборка из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных диодов) и к обкладке конденсатора 9, вторая обкладка которого подключена через коммутатор на магнитных звеньях сжатия 8 к дополнительному источнику питания 7. Основной потенциальный электрод 2 подключен к обкладке основного накопителя 5 и потенциальному выводу основного источника питания 6 через первичную обмотку импульсного трансформатора 4. Основной электрод 1 подключен к заземленным обкладке основного накопителя 5 и выводу основного источника питания 6 через вторичную обмотку этого же импульсного трансформатора 4, число витков в которой равняется числу витков в первичной обмотке.

Устройство, приведенное на чертеже, работает следующим образом:
В исходном состоянии конденсатор 5 заряжен от основного источника питания 6 до напряжения U₀. Конденсатор C₀ заряжен от вспомогательного источника питания 7 до напряжения U. Конденсаторы C₁, C₂, 9, 12 не заряжены. После подачи импульса управления на полупроводниковый коммутатор T₀, он открывается и напряжение U передается через импульсный трансформатор Tp₁, конденсаторы C₁, C₂ и магнитный ключ прямой накачки MS₁ на конденсатор обратной накачки 9. При этом ток заряда конденсатора 9 одновременно является током прямой накачки прерывателя тока 10. Диодная сборка 11 не пропускает на промежуточный электрод 3 импульс напряжения, приложенный к прерывателю 10 во время тока прямой накачки. Нарастающим напряжением на конденсаторе 9 перемагничивается ключ MS₂. После его насыщения в прерыватель 10 вводится обратный ток, превышающий прямой в несколько раз, и энергия из конденсатора 9 переводится в индуктивность контура обратной накачки (индуктивность обмотки насыщенного ключа MS₂ и конструктивная индуктивность). После обрыва тока прерывателем 10 энергия передается через диодную сборку 11 в виде короткого (≈100 нс) импульса на промежуточный электрод 3. При этом, промежуточный электрод 3 оказывается под потенциалом kU относительно основных электродов 1, 2. Коэффициент передачи k коммутатора 8 выбирается таким, чтобы напряжение kU было оптимальным для зажигания самостоятельного разряда в промежутках 1-3, 2-3. На фронте импульса напряжения зажигается вспомогательный разряд с острий системы предварительной ионизации 13, производящий предварительную ионизацию рабочей среды между электродами 1-3 и 3-2, и конденсаторы 12 заряжаются. Так как к электродам 1-2 приложено напряжение U₀ от конденсаторной батареи 5, плазма, созданная на стадии самостоятельного разряда, проводит ток от основного накопителя 5, которым производится накачка рабочей среды лазера. Импульсный трансформатор 4 выравнивает токи самостоятельного разряда в промежутках 1-3 и 3-2 для создания в этих промежутках плазмы с одинаковой концентрацией электронов. Во время протекания тока от основного накопителя 5, т.е. во время несамостоятельного разряда, происходит насыщение магнитопровода трансформатора и его индуктивное сопротивление мало. Поскольку, при оптимальном, с точки зрения накачки лазера, напряжении U₀, воздействующем на плазму, ионизация среды не восполняет убыль заряженных частиц вследствие рекомбинации, ток уменьшается. Поддержание разряда восполнением зарядоносителей осуществляется подачей импульсного напряжения амплитудой kU при очередном включении коммутатора 8. При этом указанный процесс повторяется.

Работоспособность предлагаемого устройства проверена на примере CO₂ лазера с объемом активной среды 4,5x2x80 см (с межэлектродными расстояниями по 2,25 см), заполненным рабочей смесью газов, в которой содержалось 2 мм рт. ст. CO₂, 14 мм рт.ст. He, 44 мм рт.ст. N₂. В качестве коммутатора 8 (фиг. 1) использовался коммутатор на магнитных звеньях сжатия, состоящий из тиристора T₀ - ТЧИ100-11-568, конденсаторов C₀ - 12 мкФ (0.15 мкФ К 78 - 21000В - 80 шт. ), C₁ - 10.2 нФ (КВИ-3 12 кВ 6800 пФ - 6шт.), C₂ - 10.2 нФ (КВИ-3 12 кВ 6800 пФ - 6 шт.), магнитных ключей (материал - НП50) Tp₁ - 60x104x50 N1=1.5, N2= 40; MS₁ - 60x104x50, N=12; MS₂ - 80x120x50, N=2.5. Прерыватель 10 и диодная сборка 11 состояли из 9 шт. диодов СДЛ-0.4-1600 каждый. Для обеспечения предварительной ионизации рабочей среды использовались два ряда вспомогательных острийных электродов 4, установленных на расстоянии 3 мм до основных электродов 1, 2 по потоку газа. Расстояние между остриями 1 мм. Суммарная емкость конденсаторов 5 подсветки составляла 1,5 нФ. Емкость конденсатора 9 - 5.1 нФ, напряжение kU= 12 кВ. Емкость конденсаторной батареи 5 составляла 6 мкФ, зарядное напряжение U₀=2 кВ. Таким образом, на электроды 1-2 было подано постоянное напряжение 2 кВ, после срабатывания коммутатора на электроды 1-3 и 2-3 подавались импульсы напряжения амплитудой порядка 6 кВ, относительно основных электродов 1, 2. Импульсный трансформатор 6 намотан 20 витками коаксиального кабеля на кольцевом феррите 10x6x1,5 см. В качестве первичной обмотки использована средняя жила коаксиального кабеля, в качестве вторичной - оплетка коаксиального кабеля. Импульсы самостоятельного разряда подавались с частотой 300 Гц.

В таких условиях зарегистрирована средняя удельная мощность, введенная в газ на стадии несамостоятельного разряда 10 Вт/см³. В течение всего испытательного периода работы (≈10¹⁰ включений) не возникала необходимость замены коммутирующего элемента или других элементов цепей возбуждения лазера. Это подтверждает положительный эффект заявляемого устройства.

Изобретение относится к квантовой электронике и может использоваться при создании мощных технологических электроразрядных газовых лазеров импульсно-периодического действия. В импульсно-периодическом электроразрядном лазере в качестве коммутатора использован коммутатор на магнитных звеньях сжатия. Коммутатор соединен через конденсатор с прерывателем тока в виде сборки из высоковольтных выпрямительных диодов. Технический результат изобретения: повышение ресурса работы импульсно-периодического электроразрядного лазера и устойчивости газового разряда. 1 ил.

Импульсно-периодический электроразрядный лазер, содержащий газовую кювету с устройством для прокачки газа и вывода излучения, разрядной камерой с двумя основными электродами, подключенными через трансформатор тока к основному накопителю и основному источнику питания, и одним промежуточным электродом, подключенным к конденсаторам системы предварительной ионизации, и через конденсатор - к дополнительному источнику питания и коммутатору, отличающийся тем, что в качестве коммутатора использован коммутатор на магнитных звеньях сжатия, соединенный через конденсатор с прерывателем тока в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных диодов, промежуточный электрод соединен с конденсатором и прерывателем через сборку из параллельных столбов последовательно соединенных высоковольтных выпрямительных диодов, диодные столбы подключены к промежуточному электроду на одинаковом расстоянии друг от друга, а количество диодных столбов и параметры диодов выбраны таким образом, чтобы допустимый импульсный прямой ток всей сборки соответствовал току короткого замыкания дополнительного источника питания, допустимое же обратное напряжение было не ниже напряжения горения самостоятельного разряда.