ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2000 года по МПК H01S3/97 

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

Одной из наиболее сложных проблем при создании мощных и сверхмощных газовых лазеров является возбуждение больших объемов активной среды с высокими удельными параметрами накачки.

В настоящее время наиболее широко распространены устройства, использующие или 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), или самостоятельный разряд с применением секционированных электродов, каждая секция которых нагружена на балластное сопротивление, ограничивающее ток разряда, и, тем самым, предотвращающее образование искрового канала в межэлектродном объеме (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.

Недостатком лазеров, использующих для накачки самостоятельный разряд, является низкий КПД из-за неоптимальных условий накачки и больших потерь энергии на балластных сопротивлениях.

Известен лазер (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 к высоковольтному импульсному источнику питания самостоятельного разряда, и через индуктивность к средней точке основных накопителей энергии. Прокачка газа через разрядный объем осуществляется поперек электродов разряда. При подаче высоковольтного импульса на промежуточный электрод между ним 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.

В электродной конфигурации, когда прокачка газа осуществляется поперек электродов разряда, очень сложно (невозможно) устранить следующие причины контракции, ограничивающие частоту повторения импульсов разряда, создающего плазму, и соответственно, ввод высоких средних энергий в активную среду.

Во-первых, возникновение газодинамических возмущений в газовом объеме. В момент начала протекания тока через разрядный промежуток в обе стороны по потоку газа уходит ударная волна, усиливающаяся в зоне несамостоятельного разряда. И частота повторения импульсов накачки ограничена временем, необходимым для того, чтобы все созданные неоднородности плотности газа ушли вместе с потоком. Как показывают эксперименты, для этого необходима 2-4-х кратная смена газа в разрядном промежутке.

Во-вторых, развитие тепловых неустойчивостей в прикатодной области. В катодном слое происходит наиболее интенсивное энерговыделение (из-за наибольшей напряженности поля). В тоже время, толщина этого слоя не превышает толщину пограничного приэлектродного слоя Прандтля, и процессы смены газа в нем протекают очень медленно. Из-за этого требуется гораздо большее (в 3-5 раз) время между импульсами, чем необходимо для однократной смены газа, что существенно снижает среднюю мощность, рассеиваемую в газе.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является электроразрядный лазер (прототип) (GB, 1306746, H 01 S 3/22, 14.02.73) с комбинированным возбуждением разряда. Устройство содержит два ряда цилиндрических электродов, подключенных к высоковольтному импульсному генератору самостоятельного разряда, и расположенный между ними ряд цилиндрических электродов, подключенных к основному источнику питания. Через все три ряда электродов организован поток рабочего газа. Катодом выбран ряд нижних по потоку газа электродов, каждый из которых через индивидуальный резистор заземлен.

При подаче высоковольтного импульса от генератора на верхний по потоку газа ряд электродов, между ними и остальными электродами зажигаются самостоятельные разряды, создающие плазму с заданной концентрацией электронов. Для того, чтобы самостоятельные разряды загорелись между всеми тремя рядами электродов, каждый из электродов среднего ряда подключен к основному источнику питания через последовательно соединенные индуктивности с резисторами. Созданная между вторым и третьим (по потоку газа) рядами электродов плазма проводит ток от основного источника питания. При очередной подаче высоковольтного импульса процесс повторяется.

Недостатком данного лазера является сложность конструкции электродной системы, которая состоит из 132 отдельных электродов, а также то, что для возбуждения несамостоятельного разряда и вывода излучения используется только часть того объема, в котором возбуждается самостоятельный разряд от импульсного генератора. Это требует повышения мощности генератора, увеличения его габаритов и габаритов лазера в целом.

Кроме того, наличие в цепи несамостоятельного разряда индуктивности ограничивает амплитуду тока на начальной стадии несамостоятельного разряда, что существенно ухудшает устойчивость разряда, так как после окончания импульса тока самостоятельного разряда, разряд переходит из нормального в поднормальный режим горения, т.е. возникают области, где плотность тока значительно выше, чем в среднем по сечению разрядного промежутка. И в последующем даже при возобновлении нормального режима горения повышается вероятность развития искрового канала в этих областях. По этой причине для зажигания однородного разряда авторам пришлось использовать резистивную развязку электродов. Однако известно, что включение в цепь разряда токоограничивающих резисторов хотя и приводит к стабилизации разряда, но существенно снижает КПД лазера, так как в этом случае до половины всей мощности тратится на рассеивание в токоограничивающих резисторах.

Выбранная авторами конструкция электродной системы неэффективна и для устранения такой причины снижения средней мощности лазера как контракция из-за возникновения газодинамических возмущений, ограничивающих частоту повторения импульсов разряда, создающего плазму.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков - упрощение конструкции электродной системы, повышение эффективности использования энергии высоковольтного импульсного генератора, повышение устойчивости разряда, увеличение частоты повторения импульсов накачки, мощности, рассеиваемой в газе, КПД, уменьшение габаритов лазера.

Решение технической задачи достигается, если в газовом лазере, содержащем газовую кювету с устройством для прокачки газа, вывода излучения, теплообменником и разрядной камерой с двумя основными электродами, подключенными к источнику питания так, что катодом является нижний по потоку газа электрод, и одним дополнительным электродом, который через импульсные генераторы соединен с основными электродами, дополнительный электрод расположен между основными электродами, которые имеют внутри каналы для потока газа, активные поверхности основных и дополнительного электродов, перекрывающие газовый поток, выполнены в виде решеток, у которых один из размеров сквозных ячеек не превышает 3 мм.

В заявляемом решении отличительные признаки:
Прокачка газа осуществляется сквозь электроды, имеющие внутри каналы, через которые газ поступает в разрядную зону или покидает ее, дополнительный электрод установлен между основными электродами, активные поверхности основных и дополнительного электродов перекрывают газовый канал и выполнены в виде дросселирующих поток газа решеток, у которых один из размеров сквозных ячеек не превышает 3 мм.

Новый технический результат обусловлен тем, что:
- активные поверхности электродов, которые перекрывают газовый канал, выполняют функцию решеток, дросселирующих поток газа, и при условии, что один из размеров сквозных ячеек в решетке не превышает 3 мм, ограничивают распространение ударной волны из зоны разряда, тем самым уменьшая возникающие неоднородности плотности газа. Проведенные эксперименты показывают, что решетка с размерами ячеек более 3 мм неэффективно ограничивает распространение ударной волны, а решетка с ячейками менее 3 мм имеет более высокое аэродинамическое сопротивление газовому потоку.

- дополнительный электрод установлен посередине между основными электродами, таким образом весь объем плазмы, созданной самостоятельными разрядами от импульсных генераторов, используется для возбуждения активной среды током несамостоятельного разряда от основного источника питания и для вывода излучения. Так как самостоятельный разряд загорается однородно во всем межэлектродном объеме, нет необходимости устанавливать в цепях питания несамостоятельного разряда элементы, ограничивающие ток разряда и снижающие КПД лазера.

На чертеже показано поперечное сечение разрядной камеры.

Разрядная камера 1 содержит систему электродов 2-3-4, через которые осуществляется прокачка газовой смеси. Электроды 2, 4 имеют внутри каналы 8, стенки которых являются поверхностями, направляющими поток газа и задающими его сечение. Активные поверхности электродов 2, 3, 4 перекрывают газовый канал и выполнены в виде решеток (или перфорированы), у которых один из размеров сквозных ячеек (длина, ширина или диаметр) не превышает 3 мм. Основной потенциальный электрод 2 подключен к импульсному генератору (ИГ) 5 и потенциальному "положительному" выходу источника питания (ИП) 7, основной заземленный электрод 4 подключен к импульсному генератору (ИГ) 6 и заземленному "отрицательному" выходу ИП 7. Промежуточный электрод 3 подключен к ИГ 5, 6.

Устройство, приведенное на чертеже, работает следующим образом.

После прихода высоковольтного импульса от ИГ 5, 6 на промежуточный электрод 3 при достижении пробивного напряжения в промежутках 2-3 и 3-4 зажигаются самостоятельные разряды. Плазма, созданная разрядами между электродами 2-3-4, проводит ток от ИП 7, которым производится накачка рабочей среды лазера.

В момент начала протекания тока через разрядный промежуток 2-3-4 в обе стороны по потоку газа уходит ударная волна, усиливающаяся в зоне несамостоятельного разряда, которая частично гасится, а частично отражается от поверхности электродов 2, 3, 4, не выходя за пределы разрядной зоны. За время, необходимое для однократной смены газа в разрядном промежутке 2-4, все неоднородности плотности газа выносятся потоком. Приэлектродный слой газа у электрода 4, в котором образовалась при протекании тока разряда область катодного падения, эффективно выносится потоком газа через перфорированную поверхность электрода. Таким образом, для полной смены газа у активной поверхности электрода 4 необходимо время меньшее, чем время однократной смены газа в разрядном промежутке 2-4.

Очередной высоковольтный импульс от ИГ 5, 6 подается после однократной смены газа в разрядном промежутке 2-4, и указанный процесс повторяется.

Предложенный лазер по сравнению с прототипом позволяет упростить конструкцию электродной системы, повысить эффективность использования энергии дополнительного источника питания, повысить устойчивость разряда, увеличить частоту повторения импульсов накачки, мощность, рассеиваемую в газе, КПД и мощность излучения, уменьшить габариты лазера.

Работоспособность предлагаемого устройства проверена на примере CO₂-лазера с объемом активной среды 4х3х80 см, заполненным рабочей смесью газов CO₂: N₂: He= 1: 4:8 с давлением 40-120 мм.рт.ст. При прокачке газа со скоростью 60 м/с поперек электродов разряда, наблюдался устойчивый максимум энерговклада в активную среду при частоте повторения импульсов накачки не превышающей 800 Гц. То есть за время между импульсами накачки происходила трехкратная смена газа в разрядном промежутке. Для различных межэлектродных расстояний и давлений активной среды при установке на входе газового потока в разрядный промежуток дросселирующей сетки с наибольшим размером ячеек, не превышающим 3 мм, частоту повторения импульсов накачки удавалось поднять до 2 кГц без снижения средней мощности, рассеиваемой в газовом объеме, достигнув, таким образом, однократной смены газа в разрядном промежутке.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться при создании мощных и сверхмощных газовых лазеров непрерывного и импульсно-периодического действия. В газовом лазере, содержащем газовую кювету с устройством для прокачки газа, вывода излучения, теплообменником и разрядной камерой с двумя основными электродами, подключенными к источнику питания так, что катодом является нижний по потоку газа электрод, и одним дополнительным электродом, который через высоковольтные импульсные генераторы подключен к основным электродам, дополнительный электрод расположен между основными электродами, которые имеют внутри каналы для потока газа, активные поверхности основных и дополнительного электродов, перекрывающие газовый поток, выполнены в виде решеток, дросселирующих поток газа, у которых один из размеров сквозных ячеек не превышает 3 мм. Техническим результатом является упрощение конструкции электродной системы лазера, повышение эффективности использования энергии высоковольтного импульсного генератора самостоятельного разряда, повышение устойчивости разряда, увеличение частоты повторения импульсов накачки, мощности, рассеиваемой в газе, КПД, уменьшение габаритов лазера. 1 ил.

Газовый лазер, содержащий газовую кювету с устройством для прокачки газа, вывода излучения, теплообменником и разрядной камерой с двумя основными электродами, подключенными к источнику питания так, что катодом является нижний по потоку газа электрод, и одним дополнительным электродом, который через импульсные генераторы соединен с основными электродами, отличающийся тем, что дополнительный электрод расположен между основными электродами, электроды имеют внутри каналы для потока газа, поверхности электродов, перекрывающие газовый поток, выполнены в виде решеток, у которых наибольший размер сквозной ячейки не превышает 3 мм.