ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2001 года по МПК H01S3/97 

Изобретение может быть использовано при изготовлении импульсных газовых лазеров.

Известен импульсный газовый лазер, содержащий высоковольтный генератор, окруженную экраном разрядную трубку с высоковольтным и низковольтным электродами, соединенными с генератором (журнал "Квантовая электроника", 22, N 12, 1995 г. , статья "Накачка коаксиального азотного лазера высокоскоростной волной ионизации").

Основная диссипация энергии в этом лазере идет во фронте волны пробоя и эффективно происходит образование активной среды лазера. Однако имеет место неполное согласование импеданса разрядного промежутка с импедансом генератора во время распространения волны ионизации газа, что снижает КПД лазера.

Известен импульсный газовый лазер, содержащий генератор высоковольтных наносекундных импульсов напряжения, расположенный в диэлектрическом корпусе электрод, соединенный по центральному проводнику коаксиальной линии с генератором, и электромагнитный экран, охватывающий корпус и соединенный с наружным проводником коаксиальной линии (журнал "Теплофизика высоких температур", том 19, 1981 г., N 3, с. 491 - 493).

Известный лазер характеризуется нестабильностью выходных параметров лазера, связанной с переотражением электромагнитного импульса между фронтом волны ионизации и генератором.

Техническим результатом изобретения является устранение переотражения импульса между разрядным промежутком и генератором, повышение КПД лазера и стабильности лазерного излучения от импульса к импульсу, улучшение однородности возбуждения газа по длине активной среды лазера и, как следствие, увеличение стабильности пространственных характеристик излучения, а также возможность увеличения объема активной среды при сохранении эффективности накачки и устранение электромагнитных помех в окружающем лазер пространстве, обычно сопровождающих высоковольтный электрический пробой.

Для достижения этого технического результата импульсный газовый лазер, содержащий генератор высоковольтных наносекундных импульсов напряжения, расположенный в диэлектрическом корпусе электрод, соединенный по центральному проводнику коаксиальной линии с генератором, и электромагнитный экран, охватывающий корпус и соединенный с наружным проводником коаксиальной линии, снабжен по меньшей мере одной парой диэлектрических трубок, установленных одними концами в корпусе с обеих сторон от оси симметрии лазера на расстоянии S друг от друга и на расстоянии H от торца электрода, оси диэлектрических трубок попарно совпадают, а на вторых концах диэлектрических трубок, удаленных от оси симметрии лазера, выполнены окна для вывода излучения, причем выступающие из корпуса части диэлектрических трубок снабжены электромагнитными экранами, соединенными с экраном, охватывающим корпус.

Кроме этого, поперечное сечение внутренней части диэлектрического корпуса имеет форму круга, расстояние H определяется соотношением L >> H ≥ D, где D - внутренний диаметр корпуса, L - длина диэлектрической трубки, расстояние S между упомянутыми одними концами диэлектрических трубок каждой пары определяется соотношением S ≈ 2 r, где r - радиус диэлектрической трубки, причем r < D, при этом на вторых концах диэлектрических трубок, удаленных от оси симметрии лазера, перед окнами установлены электроды, соединенные с электромагнитными экранами трубок, а диэлектрические трубки выполнены различными по длине, но равными в каждой паре, поперечное сечение внутренней части диэлектрического корпуса может иметь форму прямоугольника.

На фиг. 1 изображен импульсный газовый лазер (частичный разрез); на фиг. 2 - вариант выполнения газового лазера с двумя диэлектрическими трубками; на фиг. 3 - вариант выполнения газового лазера с четырьмя диэлектрическими трубками; на фиг. 4 - осциллограмма лазерных импульсов.

Импульсный газовый лазер содержит генератор 1 высоковольтных наносекундных импульсов напряжения, входной электрод 2, расположенный в диэлектрическом корпусе 3 и соединенный по центральному проводнику 4 коаксиальной линии с генератором 1, и электромагнитный экран 5, охватывающий корпус 3 и соединенный с наружным проводником 6 коаксиальной линии. Поперечное сечение внутренней части корпуса 3 может иметь форму круга, квадрата, прямоугольника, эллипса и т. д. Импульсный газовый лазер содержит по меньшей мере одну пару диэлектрических трубок 7, установленных одними концами в корпусе 3 с обеих сторон от оси 8 симметрии лазера на расстоянии S друг от друга и на расстоянии H от торца электрода 2. Выступающие из корпуса 3 части диэлектрических трубок 7 снабжены электромагнитными экранами 9, соединенными с экраном 5, охватывающим корпус 3. Оси диэлектрических трубок 7 попарно совпадают. Диэлектрические трубки 7 могут иметь в поперечном сечении форму круга, квадрата и т.д.

На вторых концах диэлектрических трубок 7, удаленных от оси 8 симметрии лазера, выполнены окна 10 для вывода излучения. Расстояние H должно быть достаточно большим, чтобы сформировать фронт волны пробоя. Для этого при заданном диаметре D корпуса 3 расстояние H должно быть больше D. Чтобы основная часть энергии поглощалась в активной среде лазера, т.е. внутри трубок 7, H < < L. В соответствии с этим расстояние H может быть определено соотношением L >> H ≥ D, где D - внутренний диаметр корпуса 3; L - длина диэлектрической трубки 7. Для более эффективного проникновения волны пробоя внутрь диэлектрических трубок 7 расстояние S между ними должно быть больше внутреннего диаметра трубки 7, но меньше внутреннего диаметра корпуса 3 (это расстояние S ограничено размерами корпуса 3). Расстояние S между упомянутыми одними концами диэлектрических трубок 7 каждой пары, например, может быть S ≈ 2 r, где r - радиус диэлектрической трубки 7, который в несколько раз меньше D. На вторых концах диэлектрических трубок 7, удаленных от оси 8 симметрии лазера, перед окнами 10 установлены электроды 11, соединенные с электромагнитными экранами 9 трубок 7.

От генератора 1 на электрод 2 подают высоковольтный наносекундный импульс напряжения. В результате этого через определенное время возникает и начинает распространяться от электрода 2 внутри корпуса 3 волна пробоя вдоль оси 8 симметрии лазера. По достижении волной пробоя боковых диэлектрических трубок 7 эта волна пробоя разветвляется, и в каждой трубке 7 образуется своя ветвь волны пробоя, фронты которой движутся с высокой скоростью от оси 8 симметрии лазера. Плазма внутри трубок 7 за фронтом волны пробоя является высокопроводящей и совместно с экраном 9 образует волноведущий канал для распространения высоковольтного электромагнитного импульса. Во время распространения волны пробоя ток проводимости в плазме замыкается токами смещения между плазмой и экранами 9 трубок 7. Поскольку импеданс Z₃ газа впереди фронта волны пробоя близок к ∞, то часть электромагнитных импульсов отражается от фронта волны пробоя и распространяется в трубку 7, расположенную напротив, вследствие того, что Z₂ < < Z₁ (Z₂ - импеданс между трубками 7, Z₁ - импеданс между трубкой 7 и электродом 2). Ввиду симметричного расположения трубок 7 и вследствие переотражения электромагнитных волн возникает стоячая электромагнитная волна между двумя фронтами волны пробоя, которая исчезает после полной диссипации ее энергии в плазме. В результате энергия исходного высоковольтного импульса практически полностью идет на возбуждение и ионизацию газа с высокой эффективностью заселения рабочих уровней лазера за время ~ L/V, где L - длина диэлектрической трубки 7; V - скорость распространения фронта волны пробоя (~10⁹ - 10¹⁰ см/с).

Из-за почти полного поглощения энергии высоковольтного импульса стабильность этого процесса будет полностью соответствовать стабильности исходного импульса напряжения.

Вариант выполнения газового лазера с двумя диэлектрическими трубками 7 показан на фиг. 2. В соответствии с этим вариантом выполнения импульсный газовый лазер имеет одну пару равных по длине диэлектрических трубок 7. Вариант выполнения газового лазера с четырьмя диэлектрическими трубками 7 показан на фиг. З. В соответствии с этим вариантом выполнения импульсный газовый лазер имеет две пары равных по длине диэлектрических трубок, первая пара образована трубками 12 и 13, а вторая - трубками 14 и 15.

Импульсный газовый лазер может быть выполнен с различными по длине диэлектрическими трубками 7. Выполнение трубок 7 каждой пары различными по длине позволяет изменять или получать другую форму импульса лазерного излучения при сохранении упомянутых выше технических характеристик лазера.

Импульсный газовый лазер имеет высокие воспроизводимость, ресурс, пиковую мощность, стабильность излучения от импульса к импульсу. Высокая стабильность излучения от импульса к импульсу подтверждается полным совпадением 1500 их осциллограмм (фиг. 4).

Импульсный газовый лазер обеспечивает устранение переотражения импульса между разрядным промежутком и генератором, повышение КПД лазера и стабильности лазерного излучения, а также - улучшение однородности возбуждения газа по длине разрядного промежутка и, как следствие, увеличение стабильности пространственных характеристик излучения, возможность увеличения объема активной среды за счет увеличения числа пар диэлектрических трубок при сохранении эффективности накачки и устранение электромагнитных помех в окружающем лазер пространстве, обычно сопровождающих высоковольтный электрический пробой.

Лазер позволяет использовать сменные лазерные ячейки с различными рабочими газами и с изменяемой в зависимости от задачи топологией. Лазерные ячейки могут выноситься с помощью коаксиального кабеля на значительные расстояния от высоковольтного блока питания.

Изобретение может быть использовано при изготовлении импульсных газовых лазеров. Лазер содержит генератор высоковольтных наносекундных импульсов напряжения, электрод, расположенный в диэлектрическом корпусе и соединенный по центральному проводнику коаксиальной линии с генератором, и электромагнитный экран, охватывающий корпус и соединенный с наружным проводником коаксиальной линии. Лазер снабжен по меньшей мере одной парой диэлектрических трубок, установленных одними концами в корпусе с обеих сторон от оси симметрии лазера на расстоянии друг от друга и на расстоянии от торца электрода. Оси диэлектрических трубок попарно совпадают, а на вторых концах диэлектрических трубок, удаленных от оси симметрии лазера, выполнены окна для выода излучения. Устранены переотражения импульса между разрядным промежутком и генератором, повышены КПД лазера и стабильность лазерного излучения от импульса к импульсу, обеспечены улучшение однородности возбуждения газа по длине активной среды лазера, возможность увеличения объема активной среды при сохранении эффективности накачки и устранение электромагнитных помех в окружающем лазер пространстве. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Импульсный газовый лазер, содержащий генератор высоковольтных наносекундных импульсов напряжения, расположенный в диэлектрическом корпусе электрод, соединенный по центральному проводнику коаксиальной линии с генератором, и электромагнитный экран, охватывающий корпус и соединенный с наружным проводником коаксиальной линии, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одной парой диэлектрических трубок, установленных одними концами в корпусе с обеих сторон от оси симметрии лазера на расстоянии S друг от друга и на расстоянии H от торца электрода, оси диэлектрических трубок попарно совпадают, а на вторых концах диэлектрических трубок, удаленных от оси симметрии лазера, выполнены окна для вывода излучения, причем выступающие из корпуса части диэлектрических трубок снабжены электромагнитными экранами, соединенными с экраном, охватывающим корпус. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение внутренней части диэлектрического корпуса имеет форму круга. 3. Лазер по п.2, отличающийся тем, что расстояние H определяется соотношением L >> H ≥ D, где D - внутренний диаметр диэлектрического корпуса, L - длина диэлектрической трубки. 4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что расстояние S между упомянутыми одними концами диэлектрических трубок каждой пары определяется соотношением S ≈ 2r, где r - радиус диэлектрической трубки, причем r < D. 5. Лазер по п.1, отличающийся тем, что на вторых концах диэлектрических трубок, удаленных от оси симметрии лазера, перед окнами установлены электроды, соединенные с электромагнитными экранами трубок. 6. Лазер по п.1, отличающийся тем, что диэлектрические трубки выполнены различными по длине, но равными в каждой паре. 7. Лазер по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение внутренней части диэлектрического корпуса имеет форму прямоугольника.