УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЧ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ГЕНЕРАЦИИ ГАЗОРАЗРЯДНОГО ЛАЗЕРА ПРИ ПОМОЩИ СОЗДАНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ Российский патент 2001 года по МПК H01S3/97 

Область техники.

Изобретение относится к системам лазерной генерации оптического излучения, в которых для получения в газе инверсной населенности используется электрический разряд, возбуждаемый и поддерживаемый при помощи электромагнитного излучения диапазона СВЧ.

Предшествующий уровень техники.

Для возбуждения генерации лазерного излучения в газовой среде необходимо по крайней мере для двух квантовых уровней атомов (или молекул), входящих в состав газового наполнения лазера, создать условия, при которых число атомов (или молекул), находящихся в более высоком по энергии состоянии превышает число атомов, находящихся в более низком энергетическом состоянии. Такое состояние газа называется "инверсией населенности", процесс создания или поддержания инверсии населенности называется "накачкой", а атомы (или молекулы) определенного сорта, способные к генерации излучения, называются активными. При размещении достаточно протяженной среды с инверсией населенности в оптическом резонаторе возникает лазерное излучение, при этом существенным является обеспечение инверсной населенности вдоль всей длины оптического резонатора. Это связано с тем, что лазерное излучение является резонансным для активных атомов и, соответственно, очень сильно поглощающимся в участках оптического резонатора, не обладающих в силу каких-либо причин инверсной населенностью. Поэтому первоочередной задачей при накачке лазеров является задача обеспечения равномерного ввода энергии вдоль всей длины разрядной трубки, находящейся внутри оптического резонатора.

Обычно для этого используют тлеющий разряд постоянного тока, возбуждаемый при помощи размещенных в газовой среде, заполняющей разрядную трубку, металлических электродов [см. например патент США N 5754581, МКИ⁶ H 01 S 003/097, заяв. 18.11.1996, публ. 19.05.1998].

Этот способ накачки газовых лазеров обладает многими положительными свойствами, среди которых хорошая однородность энерговклада вдоль длины разряда, легкость управления разрядом при помощи изменения и контроля разрядного тока, достаточная степень изученности физических характеристик тлеющего разряда в различных газовых смесях. Наряду с положительными, тлеющий разряд обладает целым рядом отрицательных качеств, затрудняющих или делающих невозможным его использование для накачки мощных газовых лазеров. Это, во-первых, низкий удельный энерговклад, не превышающий 1-10 Дж/см³ объема газа, что принуждает для увеличения мощности лазера пропорционально увеличивать его размеры. Во-вторых, горение тлеющего разряда при больших энерговкладах становится неустойчивым и склонным к дугообразованию (см. например: Райзер Ю. П. Физика газового разряда, М. Наука, 1987, стр. 402). В-третих, для возбуждения тлеющего разряда в длинных трубках или при большом давлении рабочего газа приходится прикладывать к электродам очень высокое стартовое напряжение, часто составляющее 10 кВ и более и значительно превышающее напряжение, необходимое для поддержания разряда. В-четвертых, металлические электроды в тлеющем разряде подвергаются интенсивной ионной бомбардировке, что при длительной работе лазера приводит к их разрушению и к загрязнению рабочего газа продуктами эрозии электродов.

Газовые разряды, создаваемые электромагнитным излучением ВЧ (1 - 100 МГц) или СВЧ (100 МГц - 100 ГГц) диапазонов позволяют преодолеть некоторые из недостатков, свойственных тлеющему разряду.

Лазеры с ВЧ возбуждением газового разряда позволяют увеличить вкладываемую в разряд мощность до 30 Дж/см³ (см., например, D.G. Monson, Appl. Phys. Lett. 36, р. 793) и получить однородный вдоль длины оптического резонатора разряд [см. , например, патент США N 4802184, МКИ⁶ H 01 S 003/097, заяв. 28.09.1987, публ. 31.01.1989], но требуют для работы использования мощных и дорогих генераторов ВЧ. Большие сложности при ВЧ возбуждении разряда вызывает согласование генератора ВЧ с нагрузкой, каковой является сам газовый разряд, поскольку электрические параметры (такие, как активная и реактивная проводимость) газового разряда в свою очередь сильно зависят от вкладываемой мощности (см., например, Райзер Ю.П., "Высокочастотный емкостной разряд", М. "Наука", 1995, стр. 243 и 249). Мощные генераторы ВЧ являются сложными и громоздкими электронными устройствами (иногда занимающими целые комнаты) с невысоким КПД.

В тоже время при использовании ВЧ решается одна из основных проблем тлеющего разряда - предотвращение разрушения электродов под воздействием ионной бомбардировки, т. к. появляется возможность выноса электродов за пределы разряда.

СВЧ-разряд позволяет при сохранении всех достоинств ВЧ- разряда (высокий энерговклад, безэлектродность) отказаться от использования сложных, громоздких, дорогих и ненадежных генераторов ВЧ и применить вместо этого магнетронный генератор СВЧ, который при одинаковой (по сравнению с ВЧ- генератором) мощности обладает значительно меньшими габаритами, низкой ценой, высокой надежностью и КПД, доходящим до 70 %.

В последнее время разработано много конструкций газового лазера с накачкой при помощи электромагнитного излучения диапазона СВЧ: [патент США N 5781579, MKИ⁶ H 01 S 003/03, заяв. 24.01.1997, публ. 14.07.1998], [патент США N 5684821, MKИ⁶ H 01 S 003/097, заяв. 24.5.1995, публ. 04.11.1997], [патент США N 5606571, MKИ⁶ H 01 S 003/097, заяв. 20.03.1995, публ. 25.02.1997] , [патент США N 5412684, MKИ⁶ H 01 S 003/097,заяв. 10.03.1993, публ. 02.05.1995] , [патент США N 5347530, МКИ⁶ H 01 S 003/097, заяв. 09.04.1992, публ. 13.09.1994], [патент США N 5058122, MKИ⁶ H 01 S 003/097, заяв. 06.11.1990, публ. 15.10.1991] . Во всех случаях для возбуждения и поддержания газового разряда использован СВЧ-магнетрон (один или несколько).

Основная проблема, решаемая во всех рассматриваемых конструкциях, - обеспечение равномерного вдоль длины разрядной трубки энерговклада в разряд. Возникновение этой проблемы связано с тем, что в диапазоне СВЧ длина волны излучения становится сравнимой (или даже меньше) длины разрядной трубки оптического резонатора (в этом отличие СВЧ от ВЧ), что приводит при недостаточно грамотном согласовании СВЧ-генератора и зоны разряда, являющейся нагрузкой этого генератора, к образованию различного рода отражений и стоячих волн. Возникновение стоячих волн приводит к существенно неоднородному энерговкладу вдоль длины разрядной трубки, что может привести к срыву лазерной генерации.

Предложены различные способы решения этой проблемы: использование "замедляющей поле структуры" в виде спирали или последовательности дисков, расположенных вдоль разрядной трубки (патент США N 5412684); использование для подвода мощности СВЧ нескольких волноводов, имеющих несколько пересечений (патент США N 5781579); использование специальных механических дискретных элементов, устанавливаемых внутри волновода и юстируемых для формирования желаемой картины распределения поля (патент США N 5606571); расположение параллельно волноводу, внутри которого установлена разрядная трубка, второго волновода, вдоль которого распространяется СВЧ-волна, и организации связи между двумя волноводами через последовательность небольших окон, расположенных вдоль направления распространения СВЧ-волны (патент США N 5347530, фиг. 12); деформация стенок волновода для подстройки напряженности поля вдоль разрядной трубки (патент США N 5684821).

Все эти способы позволяют получить достаточно однородный разряд и устойчивую лазерную генерацию, но предлагаемые конструкции довольно сложны, громоздки, требуют точной механической настройки и юстировки, а главное, в предлагаемых конструкциях, остается открытым вопрос о том, какая доля мощности магнетрона расходуется на поддержание разряда и на накачку лазера, а какая отражается от разряда и от различных искусственно введенных неоднородностей назад к магнетронному генератору, приводя к образованию стоячих волн, нарушению режима работы магнетрона и снижению эффективной излучаемой мощности или даже выходу магнетрона из строя. Эта проблема представляет значительную трудность уже в случае ВЧ-разряда, а в диапазоне СВЧ, когда длина волны излучения становится сравнимой с размерами лазера (или даже существенно меньше), она еще более усложняется. Причиной этого является то, что во всех предлагаемых конструкциях трубка с газовым разрядом является просто некоторым объектом, располагаемым внутри волновода и подвергаемым воздействию СВЧ, при этом не учитываются электрические свойства самого газового разряда, его влияние на распределение поля СВЧ и на согласование с магнетронным генератором. Предлагаемые в перечисленных патентах конструкции настолько сложны, что их математическое, аналитическое описание, учет влияния газового разряда и искусственно введенных неоднородностей на распространение, отражение и поглощение СВЧ при помощи каких-либо стандартных методов, известных из теории цепей СВЧ или из теории газового разряда, представляется трудноосуществимым. Таким образом, можно сказать, что общий недостаток предлагаемых конструкций - плохое согласование между магнетронным генератором СВЧ и газовым разрядом, рассматриваемым как нагрузка этого генератора.

Вторая проблема, возникающая в случае ВЧ- или СВЧ- возбуждения газового разряда, связана с обеспечением надежного инициирования разряда. Проблема здесь состоит в том, что для зажигания разряда в газе требуется напряженность поля, в 10-1000 раз большая, чем для поддержания горения (см. например Райзер Ю.П. "Физика газового разряда", М. "Наука", 1987, стр. 450), и поэтому обычно для возбуждения разряда используются довольно мощные источники СВЧ-излучения либо включают в состав устройства дополнительные компоненты для инициации разряда, например искровые разрядники, УФ-лампы для создания начальной ионизации газа, вакуумные системы для предварительной откачки разрядной трубки и понижения тем самым порога пробоя и т.п. Все эти системы позволяют добиться надежного инициирования разряда в газе, но их применение усложняет конструкцию лазера, увеличивает его размеры и стоимость, а их практическое использование требует применения систем слежения, управления и контроля за инициацией.

Проблема инициирования разряда в газе без применения сложных дополнительных систем решена в патенте США N 5347530 при помощи использования резонансной СВЧ-структуры, расположенной отдельно от разрядной трубки и связанной с последней при помощи прямоугольного волновода. Использование дополнительной резонансной структуры диапазона СВЧ позволяет значительно повысить напряженность поля внутри разрядной трубки на этапе, предшествующем зажиганию разряда, и получить за счет этого надежную инициацию разряда без использования дополнительных систем слежения и управления.

Раскрытие изобретения.

Задачами настоящего изобретения являются:
1 - обеспечение надежной инициации разряда в газовой среде лазера без использования каких-либо дополнительных средств и без применения следящих и управляющих систем,
2 - обеспечение согласования по СВЧ между магнетронным генератором, разрядной трубкой и нагрузкой,
3 - обеспечение равномерного ввода энергии СВЧ вдоль длины разрядной трубки газового лазера.

Поставленные задачи решаются тем, что, как и в известном устройстве, для возбуждения разряда газового лазера (патент США N 5347530), для повышения напряженности электромагнитного поля используют объемный резонатор диапазона СВЧ, но в отличие от прототипа используют цилиндрическую резонансную систему, непосредственно связанную с магнетроном без применения каких-либо волноводов. При этом излучающий элемент магнетрона располагается внутри цилиндрического объемного резонатора коаксиально по отношению к нему, а размеры резонатора (длина или диаметр) подобраны в соответствии с рабочей частотой магнетрона. Разрядная трубка газового лазера также размещается коаксиально внутри цилиндрического объемного резонатора и подсоединяется одним концом к излучающему элементу магнетрона (возможно соединение через небольшой согласующий элемент, так называемый трансформатор сопротивлений). Второй конец разрядной трубки выведен через диафрагму, которой заканчивается объемный резонатор, в область пассивной нагрузки СВЧ (например, водяной нагрузки). При этом длина выведенного из объемного резонатора в область нагрузки участка разрядной трубки лежит в интервале от λ/8 до λ (оптимальное значение равно λ/2), , где λ - длина волны СВЧ-излучения в свободном пространстве. Такое расположение элементов делает достаточно простым математический анализ процесса передачи энергии от магнетрона в разряд после его зажигания, т.к. задача становится цилиндрически симметричной.

До зажигания разряда устройство представляет из себя обычный цилиндрический резонатор диапазона СВЧ, сильно связанный (за счет размещения излучающего элемента магнетрона внутри резонатора) с магнетроном. Влияние диэлектрической разрядной трубки, расположенной вдоль оси резонатора, и торцевой диафрагмы с небольшим отверстием на добротность объемного резонатора пренебрежимо мало, а само значение добротности объемного резонатора велико (по крайней мере значительно больше добротности колебательной системы магнетрона).

Известно свойство магнетрона при условии сильной связи "самонастраиваться" на частоту конкретного объемного резонатора, если их резонансные частоты с точностью не хуже 10-20% совпадают и если добротность объемного резонатора много больше добротности собственной резонансной системы магнетрона [Д.В. Самсонов. "Основы расчета и конструирования магнетронов", М. "Советское радио", 1974, с. 167].

Благодаря этому свойству после подачи напряжения питания на магнетрон очень быстро (за время ~10^-8 - 10^-7 с) происходит установление частоты колебаний магнетрона, соответствующей резонансной частоте системы, образованной магнетроном, объемным резонатором СВЧ и диэлектрической разрядной трубкой, после чего начинается накопление энергии внутри объемного резонатора. Напряженность поля внутри разрядной трубки при этом возрастает до тех пор, пока не превысит пробойное значение для газа, заполняющего разрядную трубку. После чего внутри разрядной трубки зажигается разряд и распространяется на всю длину разрядной трубки (в том числе и на участок, находящийся вне объемного резонатора в области пассивной нагрузки).

После возникновения разряда режим работы устройства радикально меняется.

Во-первых, из-за поглощения энергии СВЧ образовавшейся плазмой добротность объемного резонатора резко падает (до величины, значительно меньшей, чем собственная добротность колебательной системы магнетрона), в результате чего магнетрон перестраивается на свою рабочую частоту и дальнейшее излучение энергии СВЧ происходит на этой частоте (до тех пор, пока внутри объемного резонатора горит разряд).

Во-вторых, т.к. в диапазоне СВЧ даже разряженная плазма обладает значительной активной и реактивной проводимостью, система превращается в аналог обычной коаксиальной линии, транспортирующей энергию от магнетрона в пассивную нагрузку. Передача энергии в пассивную нагрузку осуществляется за счет излучения энергии СВЧ концом разрядной трубки, выведенным через диафрагму связи в область пассивной нагрузки и работающим, как излучающая антенна (полуволновый вибратор). Излучаемая энергия СВЧ поглощается пассивной (например, водяной) нагрузкой, что исключает образование отраженной волны. Таким образом, "плазменная коаксиальная линия" с точки зрения техники СВЧ работает в режиме "бегущей волны", чем практически полностью подавляется образование стоячих волн. При этом часть энергии бегущей вдоль плазменной коаксиальной линии волны поглощается в ней за счет возбуждаемых в плазме токов смещения и проводимости и расходуется на поддержание разряда. Это приводит к затуханию бегущей вдоль разрядной трубки волны, характеризуемому, как и в случае обычной коаксиальной линии, длиной затухания. Доля энергии магнетрона, идущая на поддержание разряда, может быть легко определена по разности мощности, излучаемой магнетроном, и мощности, поглощаемой водяной нагрузкой (определяемой, например, калориметрическим методом по изменению температуры воды). При этом для обеспечения необходимой однородности разряда вдоль линии (например в пределах 15 % от среднего), приходится допускать поглощение 70 % излучаемой магнетроном энергии в водяной нагрузке, что является определенным недостатком, приводящим к снижению КПД лазера. Тем не менее, такой режим работы вполне допустим и экономически оправдан при использовании в качестве генератора СВЧ дешевых магнетронов (например, от бытовых СВЧ-печей), т. к. за счет этого достигается необходимая для лазерной генерации степень однородности энерговклада в разряд вдоль длины разрядной трубки (энерговклад зависит от амплитуды бегущей волны, которая уменьшается вдоль разрядной трубки из-за поглощения в плазме) и необходимое для подавления отражений и стоячих волн согласование по СВЧ.

Предложенная конструкция является полностью аксиально- симметричной, что делает возможным (и достаточно простым) математический анализ процесса распространения СВЧ волн вдоль плазменного коаксиала. Теория этого процесса для случая аксиально-симметричной задачи детально разработана (см., например, В. Эллис, "Волны в анизотропной плазме", М. "Атомиздат", 1966, стр. 155-200; Кондратенко А. Н. , "Плазменные волноводы", М. "Атомиздат", 1976, стр. 11-44).

Основные выводы в применении к предлагаемому изобретению можно суммировать в следующем.

В расположенной вдоль оси коаксиала плазме и в окружающем плазму пространстве могут распространяться несколько типов волн как объемных, так и поверхностных, каждая со своей фазовой и групповой скоростью и со своей длиной затухания. В случае, если глубина проникновения поля СВЧ в плазму при нормальном падении (другими словами толщина скин-слоя) много меньше расстояния от плазмы до металлической поверхности коаксиального цилиндра, эти параметры для разных типов волн сближаются, а длина затухания становится достаточно большой (по крайней мере больше λ). Необходимым условием для этого является использование для заполнения разрядной трубки достаточно разреженного газа (т. к необходимо, чтобы частота столкновений в газе была много меньше собственной частоты СВЧ), что ограничивает рабочее давление газа величиной не более 100 Торр при использовании 2.45 ГГц магнетронов.

Следует отметить, что все перечисленные выше патенты используют именно такой режим работы разрядной трубки (т.е. низкое давление газа при условии сильного скинирования поля СВЧ в плазме; см. например патент США N 5412684, фиг. 4). Несмотря на то, что при таких условиях энергия СВЧ выделяется в узкой приповерхностной зоне плазмы, оптическая однородность излучения лазера по поперечному сечению луча получается очень хорошей (патент США N 5412684, фиг. 9). Это объясняется тем, что благодаря высокому коэффициенту диффузии в разреженной плазме, активные возбужденные атомы (или молекулы) за время жизни верхнего метастабильного состояния успевают относительно равномерно распределиться по поперечному сечению разрядной трубки лазера.

Новизна предлагаемого устройства состоит в том, что известная из предшествующего уровня техники лазерная разрядная трубка размещается аксиально-симметрично внутри цилиндрического резонатора диапазона СВЧ, образуя коаксиальную линию с относительно небольшим затуханием (длина затухания по крайней мере больше λ), вдоль которой распространяется энергия СВЧ, излучаемая магнетроном. При этом в плазме, находящейся внутри разрядной трубки, поглощается небольшая доля излучаемой магнетроном мощности (не более 50%), а основная часть излучаемой мощности СВЧ проходит вдоль плазменной коаксиальной линии и поглощается в пассивной (например, водяной) нагрузке.

Сопоставительный анализ показал, что заявляемое решение отличается от прототипа тем, что в случае установления сильной связи между источником СВЧ и объемным резонатором образующаяся из магнетрона, объемного резонатора и разрядной трубки система является единым резонатором со своей резонансной частотой и добротностью - высокой при незажженном разряде и низкой при горящем. При высокой добротности колебания магнетрона возбуждаются на частоте, соответствующей резонансной частоте системы, образованной магнетроном, резонатором и разрядной трубкой; при низкой добротности колебания магнетрона возбуждаются на его собственной рабочей частоте, которая может отличаться от резонансной вплоть до 20%. После возбуждения разряда добротность системы падает, магнетрон перестраивается на рабочую частоту, на которой и поддерживают горение разряда.

Устройство в отличие от прототипа содержит магнетрон, излучающий элемент которого расположен аксиально-симметрично внутри цилиндрического объемного резонатора, никакие волноводы для передачи энергии СВЧ не используются. После возбуждения разряда образуется плазменная коаксиальная линия, вдоль которой происходит передача энергии магнетрона в пассивную нагрузку, при этом небольшая часть передаваемой энергии поглощается в плазме и расходуется на поддержание разряда и, соответственно, на поддержание генерации лазера.

Хотя устройство состоит всего из нескольких основных элементов: магнетрона, объемного резонатора, разрядной трубки, оптического резонатора лазера и пассивной (например, водяной) нагрузки, предложенное взаимное расположение элементов и режим взаимодействия в процессе работы неизвестны из предшествующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Сущность изобретения заключается в следующем.

Как известно, для возбуждения разряда в газе требуется значительно большая напряженность электрического поля, иногда на несколько порядков, чем для поддержания горения разряда, и поэтому обычно для возбуждения разряда используются довольно мощные источники СВЧ-излучения либо включают в состав устройства дополнительные компоненты для инициации разряда, например искровые разрядники, УФ-лампы, вакуумные системы для предварительной откачки и понижения тем самым порога пробоя и т.п.

Если же использовать маломощный источник СВЧ-излучения, например СВЧ-магнетрон с мощностью от 10 Вт до нескольких кВт, то на этапе, предшествующем инициации разряда, нужно поднять напряженность до необходимого уровня. Для этого установку можно дополнить накопителем энергии в диапазоне СВЧ, в качестве которого может быть использован высокодобротный объемный резонатор.

Однако в этом случае возникает проблема настройки источника СВЧ-излучения на резонансную частоту объемного резонатора, а также проблема, связанная с температурной и временной нестабильностью собственной частоты источника СВЧ и резонансной частоты резонатора. Эти проблемы легко решаются в случае использования в качестве источника СВЧ магнетрона (или другого магнетроноподобного прибора) путем установления сильной связи между магнетроном и объемным резонатором.

Известны методы настройки и стабилизации частоты магнетрона полым резонатором, при этом в резонансной системе магнетрона появляются дополнительные резонансные состоянии при любом характере связи анодного блока магнетрона с резонатором [Д.В. Самсонов. "Основы расчета и конструирования магнетронов", М., "Советское радио", 1974, с.с. 167-194].

При этом в соответствии с принципом "минимального рассеяния" колебания системы "магнетрон - резонатор" возбуждаются на той частоте, на которой достигается наибольшее отношение запасенной энергии к общей энергии потерь за период, то есть на частоте, на которой добротность системы максимальна (см. там же). Так как добротность собственной резонансной системы магнетрона (обычное значение добротности < 100) много меньше добротности объемного резонатора (обычное значение 1000 - 10000 и более), колебания будут возбуждаться на резонансной частоте системы, образованной магнетроном и резонатором. Для этого, конечно, должна быть обеспечена "близость" резонансной частоты системы к собственной рабочей частоте магнетона. Необходимая степень близости зависит от конкретного типа использованного магнетрона и способа связи его с резонатором. Процесс установления частоты колебаний занимает очень короткое время, обычно ~10^-8 - 10^-7 с.

Это означает, что, если магнетрон сильно связан с объемным резонатором и их собственные резонансные частоты с точностью порядка нескольких (не более 20%) совпадают, колебания будут возбуждаться на резонансной частоте системы, образованной магнетроном и резонатором, без использования каких-либо механических или электрических устройств для настройки частоты. Конечно, абсолютное значение этой резонансной частоты подвержено температурным и временным изменениям, но взаимная настройка магнетрона и резонатора при этом сохраняется. Сильная связь в системе СВЧ-магнетрон-резонатор может быть установлена, если излучающий элемент СВЧ-магнетрона будет размещен внутри объемного резонатора.

Этот режим работы системы может поддерживаться только в том случае, если будет обеспечена высокая добротность всей системы: магнетрон-объемный резонатор-разрядная трубка в целом, для чего необходимо исключить какие-либо существенные потери энергии в системе (например, на излучение во внешнее пространство).

В случае обеспечения всех этих условий внутри объемного резонатора начинается накопление энергии и напряженность поля значительно возрастает. Для высокодобротных резонаторов усиление напряженности поля может достигать очень больших величин, порядка 100 и более.

В обычных схемах использования объемных резонаторов для СВЧ-пробоя после достижения пробойной напряженности начинается газовый разряд, который распространяется на весь объем резонатора. Но в случае расположения внутри объемного резонатора разрядной трубки, имеющей газовое наполнение с порогом пробоя существенно ниже, чем газовое наполнение объемного резонатора, разряд развивается только внутри разрядной трубки и не распространяется на другие области резонатора. Это объясняется тем, что рост напряженности поля внутри резонатора продолжается только до момента пробоя самого слабого в электрическом отношении элемента, каковым является разрядная трубка. Сразу после возбуждения разряда напряженность поля резко снижается в силу значительного уменьшения добротности системы, вызванного поглощением излучаемой энергии СВЧ в газовом разряде в трубке.

Наличие разрядной трубки несколько меняет собственную резонансную частоту системы магнетрон - объемный резонатор, но так как практически отсутствует излучение энергии из системы во внешнюю среду на предразрядной стадии, добротность системы, образованной магнетроном, резонатором и разрядной трубкой остается высокой. В этом случае СВЧ-магнетрон "самонастраивается" на частоту, соответствующую резонансной частоте системы магнетрон - резонатор - разрядная трубка. При большой разнице между собственной рабочей частотой магнетрона и резонансной частотой системы, превышающей несколько процентов, колебания магнетрона могут возбуждаться на паразитной моде колебаний, что может привести к снижению эффективной излучаемой мощности, но так как магнетрон работает в этом режиме очень короткое время, перегрева и выхода магнетрона из строя не происходит.

После возбуждения разряда в системе происходит интенсивное поглощение энергии СВЧ, в результате чего добротность резко падает, энергетически более выгодными для магнетрона становятся колебания на своей рабочей частоте, в результате чего магнетрон перестраивается на эту частоту и дальнейшее излучение энергии происходит на этой частоте. Процесс зажигания разряда и последующей перестройки частоты магнетрона протекает очень быстро за характерное время ~10^-6 с. Если в силу каких-либо причин разряд погаснет, добротность всей системы через очень короткое время, равное времени рекомбинации свободных зарядов в объеме разрядной трубки (обычно ~10^-6 - 10^-5 с), восстановится, магнетрон вновь перестроится на резонансную частоту системы, произойдет новое накопление энергии и сразу же произойдет новый разряд. Подобный режим работы магнетрона может быть реализован как в непрерывном режиме генерации, так и в импульсном или импульсно-периодическом. После зажигания разряда образуется плазменная коаксиальная линия, подключенная на входе к магнетрону и на выходе к пассивной (например, водяной нагрузке).

Согласование импедансов магнетрона и плазменной коаксиальной линии на входе может быть достигнуто небольшим осевым перемещением разрядной трубки и подбором формы и размеров вспомогательного согласующего элемента, расположенного между излучающим элементом магнетрона и разрядной трубкой для согласования фазы излучения (метод использования так называемого трансформатора сопротивлений, хорошо известный в технике СВЧ) [см., например, патент США N 5525865, МКИ⁶ H 01 J 65/04, заяв. 25.02.1994, публ. 11.06.1996].

После возбуждения разряда и образования плазменной коаксиальной линии излучаемая магнетроном энергия распространяется вдоль линии и поглощается в согласованной пассивной нагрузке. Согласование линии на выходе достигается подбором места расположения, диаметра и толщины диафрагмы, а также подбором длины участка разрядной трубки, находящегося в области пассивной нагрузки. При условии выполнения подобного согласования коаксиальная линия работает в режиме бегущей волны и образования стоячих волн не происходит. При использовании стандартных разрядных трубок низкого давления и с сильным скинированием СВЧ-поля длина затухания бегущей вдоль плазменного коаксиала волны оказывается достаточно большой (по крайней мере больше λ), в результате чего в плазме поглощается небольшая доля излучаемой магнетроном мощности, а основная часть энергии СВЧ проходит вдоль всей разрядной трубки и поглощается в пассивной (например, водяной) нагрузке, чем достигается необходимая для лазерной генерации однородность энерговклада вдоль длины разрядной трубки.

Для целей управления параметрами плазменного коаксиала (например, критической плотностью плазмы и длиной затухания) может быть использовано внешнее магнитное поле (как правило аксиальное), создаваемое либо при помощи постоянных магнитов, либо при помощи электромагнитов. Известно, что внешнее магнитное поле существенно влияет на параметры плазменного коаксиала [см. И. А. Селиванов и др. "Электродинамические свойства коаксиального плазменного волновода в магнитном поле". Труды ИОФАН т. 45, 1994, М. "Наука", стр. 97 - 104] . Следует отметить, что в этой экспериментальной работе транспортировка СВЧ-излучения мощностью ~100 Вт производилась вдоль плазменного коаксиала с длиной более, чем в 10 раз превышающей собственную длину волны СВЧ λ, что демонстрирует работоспособность предлагаемой в настоящем изобретении конструкции при создании достаточно мощных лазеров с длинной разрядной трубкой.

Для получения более однородного энерговклада вдоль длины плазменного коаксиала может быть использована разрядная трубка с изменяющейся вдоль длины геометрией (например, трубка может обладать небольшой конусообразностью от начала к концу) и/или для этой же цели объемный резонатор, выполняющий роль внешней оболочки плазменного коаксиала, может иметь не строго цилиндрическую форму, а изменяющуюся вдоль длины (например обладать небольшой конусообразностью).

Для охлаждения разрядной трубки может быть организован проток жидкости (например, неполярной жидкости с малыми потерями на СВЧ) или охлаждающего газа вдоль разрядной трубки при помощи установки дополнительной внешней трубки большего диаметра, окружающей разрядную трубку лазера.

Изменение геометрии этой дополнительной трубки (например, небольшая конусообразность) также может быть использовано для более равномерного энерговклада вдоль длины разрядной трубки лазера.

Для лучшего охлаждения рабочего газа, которое может оказаться необходимо при использовании некоторых лазерных газовых смесей, может быть организован проток рабочего газа вдоль разрядной трубки при помощи вспомогательной газовой системы.

Работа устройства поясняется чертежом, на котором изображен самый простой вариант устройства, когда разрядная трубка и объемный резонатор имеют строго цилиндрическую форму и разрядная трубка работает без дополнительного охлаждения и протока газа.

Устройство содержит СВЧ-магнетрон 1, излучающий элемент 2 которого размещен в полости цилиндрического объемного резонатора 3 вдоль его оси, внутри объемного резонатора также вдоль оси резонатора установлена заполненная рабочим газом разрядная трубка 4, которая одним своим концом соединена через вспомогательный согласующий элемент 5 с излучающим элементом магнетрона 2. Разрядная трубка 4 находится также внутри оптического резонатора, образованного зеркалом 6 и полупрозрачным зеркалом 7. Второй конец разрядной трубки через диафрагму 8 выведен в область пассивной (например, водяной) нагрузки 9.

Работает устройство следующим образом.

После подачи напряжения питания на магнетрон 1 за очень короткое время (~ 10^-8 - 10^-7 с) происходит установление частоты, соответствующей резонансной частоте системы магнетрон 1 - резонатор 3-разрядная трубка 4. Далее происходит накопление энергии в течение ~10^-6 с в объемном резонаторе 3 до достижения пробойной напряженности внутри разрядной трубки 4, после чего внутри разрядной трубки 4 происходит разряд и вдоль всей длины разрядной трубки 4 образуется плазма, в результате чего добротность объемного резонатора 3 резко уменьшается, магнетрон 1 перестраивается на рабочую частоту и энергия СВЧ, излучаемая источником излучения 2 магнетрона 1, начинает транспортироваться вдоль образовавшегося плазменного коаксиала в нагрузку 9, часть энергии при транспортировке поглощается образовавшейся внутри разрядной трубки 4 плазмы, поддерживая ее горение и обеспечивая накачку верхних метастабильных уровней активных атомов (или молекул), входящих в состав газового наполнения разрядной трубки 4. Так как разрядная трубка помещена внутри оптического резонатора, образованного зеркалами 6 и 7, возбуждается генерация лазерного излучения в объеме разрядной трубки 4. Лазерное излучение выводится во внешнее пространство через полупрозрачное зеркало 7. Согласующий элемент 5 является необязательным и включается в состав системы при необходимости.

В случае, если разряд погаснет, процесс возбуждения разряда автоматически повторится.

Пример конкретного использования.

В обычно используемых цилиндрических резонаторах, возбуждаемых на моде колебаний ТМ 010, напряженность электрического поля в центре резонатора согласно [А. Мак-Доналд. "СВЧ пробой в газах", М. "Мир", 1969 г., стр. 167] составляет

где P - мощность излучения СВЧ-магнетрона,
Q - добротность резонатора,
ω - угловая частота СВЧ-излучения,
η = 0,27·ε₀·V (2),
где ε₀ = 8,85 · 10^-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума,
V - объем резонатора.

Используя формулу (I) для расчета, можно подобрать объемный резонатор с относительно невысокой добротностью (Q) и при этом достичь довольно высокой напряженности в центре резонатора.

Например, при P = 1 кВт, ω/2π = 2,45 ГГц, V = 10 л, Q = 10³ напряженность электрического поля на оси резонатора на этапе, предшествующем зажиганию разряда, может достичь E ~50 кВ/см, что позволяет получить простую и надежную инициацию разряда при любом газовом заполнении разрядной трубки.

Для создания лазера использовался магнетрон с блоком питания от бытовых СВЧ-печей, имеющий среднюю мощность P = 800 Вт и частоту f = ω/2π = 2,45 ГГц, что позволило при λ = 12 см, использовать цилиндрический резонатор, изготовленный из меди, объемом несколько литров. Разрядная трубка была выполнена в виде кварцевой цилиндрической трубки и заключена в устойчивый полусферический оптический резонатор. При выделяемой в плазменной коаксиальной линии средней мощности около 100 Вт (определяемой как разница излучаемой магнетроном и поглощаемой в калориметрируемой водяной нагрузке мощности) оптическая средняя мощность лазерного излучения составила около 10 Вт КПД лазера составил около 1%, при этом более 80% излучаемой магнетроном мощности поглощалось в водяной нагрузке. Лазер работал в импульсно-периодическом режиме.

Устройство отличается высокой стабильностью в работе, повторное возбуждение разряда в случае гашения происходит автоматически. Такое устройство может работать от обычной электросети и использовать дешевые бытовые магнетроны и источники питания. Кроме того, устройство отличается компактностью и простотой конструкции, в нем отсутствует необходимость использования каких-либо систем слежения, переключения или контроля за возбуждением и поддержанием разряда. Полученный относительно низкий КПД устройства является вполне приемлемым в области лазерной техники и не может считаться серьезным недостатком, учитывая простоту конструкции и дешевизну использованных компонентов.

Все это позволяет использовать устройство во многих областях, например в медицине для микрохирургии, а малогабаритность и простота конструкции устройства позволяют применять его во всех отраслях, где требуется простой, надежный, компактный и в то же время достаточно мощный лазер.

Устройство содержит магнетрон, объемный резонатор диапазона СВЧ, заполненную рабочим газом разрядную трубку, оптический резонатор и пассивную нагрузку СВЧ. До возбуждения разряда устройство представляет из себя резонансную систему СВЧ с высокой добротностью, сильно связанную с магнетроном, что приводит к накоплению энергии и возбуждению разряда. После чего образуется плазменная коаксиальная линия, вдоль которой происходит транспортировка энергии СВЧ в пассивную нагрузку. Часть транспортируемой энергии поглощается плазмой, поддерживая ее существование и обеспечивая процесс лазерной генерации. В случае гашения разряда добротность объемного резонатора восстанавливается, происходит новое накопление энергии до нового разряда, чем обеспечивается устойчивость работы. Техническим результатом является обеспечение надежной инициации разряда без использования дополнительных средств. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для возбуждения и поддержания генерации газоразрядного лазера воздействием электромагнитного излучения диапазона СВЧ, содержащее магнетрон, объемный резонатор диапазона СВЧ, заполненную газом разрядную трубку и оптический резонатор, отличающееся тем, что в состав устройства введена пассивная нагрузка СВЧ, а обладающий цилиндрической симметрией объемный резонатор соединен с магнетроном путем размещения излучающего элемента магнетрона внутри объемного резонатора вдоль оси симетрии последнего, при этом рабочая частота магнетрона отличается от резонансной частоты объемного резонатора не более чем на 20%, разрядная трубка также размещена вдоль оси объемного резонатора и подсоединена одним своим концом к излучающему элементу магнетрона, а второй конец разрядной трубки через торцевую диафрагму, которой ограничивается объемный резонатор, выведен в область пассивной нагрузки СВЧ. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разрядная трубка соединена с излучающим элементом магнетрона через согласующий элемент, обеспечивающий согласование СВЧ импедансов магнетрона и разрядной трубки. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объемный резонатор выполнен в виде цилиндра. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объемный резонатор выполнен в виде усеченного конуса. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длина участка разрядной трубки, выведенной в область пассивной нагрузки, лежит в интервале от λ/8 до λ, где λ - рабочая длина волны СВЧ-излучения магнетрона в свободном пространстве. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разрядная трубка выполнена в виде цилиндра. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разрядная трубка выполнена в виде усеченного конуса. 8. Устройство по пп. 1 - 7, отличающееся тем, что к разрядной трубке приложено внешнее магнитное поле. 9. Устройство по пп.1 - 8, отличающееся тем, что для охлаждения разрядной трубки организован проток жидкости или газа вдоль разрядной трубки при помощи вспомогательной трубки большего диаметра, окружающей разрядную. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что вспомогательная трубка имеет форму цилиндра либо усеченного конуса. 11. Устройство по пп.1 - 10, отличающееся тем, что для охлаждения рабочего газа, заполняющего разрядную трубку, организована циркуляция этого газа через разрядную трубку. 12. Устройство по пп.1 - 11, отличающееся тем, что в качестве пассивной нагрузки СВЧ использована водяная нагрузка. 13. Устройство по пп.1 - 12, отличающееся тем, что пассивная нагрузка СВЧ выполнена в цилиндрически-симметричном виде.