УСТРОЙСТВО НАКАЧКИ ШИРОКОАПЕРТУРНОГО ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА ИЛИ УСИЛИТЕЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H01S3/977 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в газовых электроразрядных лазерах или усилителях сверхатмосферного давления с рентгеновской предыонизацией активной среды. В частности, изобретение предназначено для использования в составе CO₂-лазерной установки для генерации импульсов пикосекундной длительности и тераваттной мощности.

Все установки этого типа построены по принципу задающий генератор - усилитель, поскольку принципиальные особенности систем формирования и компрессии одиночных пикосекундных лазерных импульсов на длине волны 10 мкм ограничивают величину выходной энергии генератора значением ~10^-5 Дж. Поэтому возникает проблема их дальнейшего усиления в 10⁵÷10⁶ раз при сохранении временных характеристик импульса. Эффективное решение этой задачи возможно только при использовании усилителей сверхатмосферного давления. Рабочее давление усилителя должно обеспечить ширину полосы усиливающей среды, соответствующей длительности усиливаемого импульса, а его апертура и энерговклад - требуемую энергию, извлекаемую в одиночном импульсе или цуге импульсов (с учетом допустимой лучевой нагрузки на оптические элементы усилителя). Для молекулы CO₂ перекрытие отдельных вращательно-колебательных переходов за счет их столкновительного уширения происходит при давлении ~10 атм. Полоса усиливаемых частот активной среды усилителя при этом возрастает до 13 см^-1, что дает возможность усиливать импульсы с длительностью до 1 пс (В.Т. Платоненко, В. Д. Таранухин. Когерентное усиление световых импульсов в средах с дискретным спектром. Квантовая электроника, том 10, 11, 1983, с.2246-2256). Кроме того, для получения лазерных импульсов мощностью ~1 ТВт система накачки должна обеспечить возбуждение активной среды в объеме ~10 л при апертуре ~100 см².

Создание усилителей высокого давления (УВД) с апертурой ≥5 см² представляет собой самостоятельную проблему, связанную с решением задач как принципиального, так и технического характера. При этом основная трудность при создании таких устройств заключается в обеспечении формирования и протекания объемного разряда накачки при величине удельного энерговклада не менее 150 Дж/л. атм. Для формирования импульсного устойчивого самостоятельного разряда (ОСР) высокого (1 атм) давления используется предварительная ионизация газовой среды путем создания минимальной начальной концентрации электронов во всем активном объеме разрядной области и максимально быстрый подъем напряжения до величины выше статического пробивного напряжения газовой смеси (Е.П. Велихов и др. Импульсные СО₂-лазеры и их применение для разделения изотопов. М., Наука, 1983).

Известна электроразрядная система возбуждения активной среды сверхатмосферного СО₂-лазера с самостоятельным разрядом и ультрафиолетовой (УФ) предварительной ионизацией, содержащая сплошной электрод - анод и катод, выполненный из стальной сетки. В качестве системы питания использован 5-ти ступенчатый генератор импульсных напряжений (ГИН), собранный по схеме Маркса (М. Blanchard, J. Gulbert et al. Superatmospheric double-discharge CO₂-laser. J. of Appl. Phys., v.45, 3, 1974, р.1311-1314).

Недостатком такого устройства накачки лазерной среды является использование системы предыонизации УФ-излучением, что приводит к возникновению сильной неоднородности концентрации электронов по глубине разрядного промежутка. В результате величина удельного энерговклада в разряд уменьшается обратно пропорционально величине давления активной среды (Р), и при Р>5 атм становится менее 50 Дж/л.атм.

Известна система накачки СО₂-лазера с предыонизацией активной среды мягким рентгеновским излучением, обладающим существенно более высокой проникающей способностью по сравнению с УФ-излучением. Для питания разряда используется 2-х или 3-х ступенчатый ГИН, собранный по схеме Маркса. Разрядный промежуток устройства образован сплошным профилированным электродом (катод) и плоским алюминиевым электродом (анод), прозрачным для рентгеновского излучения (Krishnaswamy Jayaram, A.J. Alcock. X-ray preionization of self-sustained, transverse excitation CO₂-laser discharges. J. of Appl. Phys., v. 58, 5, 1985, р.1719-1726).

К недостаткам устройства следует отнести малую величину длительности импульса предыонизации (~ 100 нc), что приводит к требованию жесткой временной синхронизации предыонизатора и разряда накачки, и, как следствие, к нестабильной работе устройства при высоких давлениях активной смеси и ограничению энерговклада в разряд (< 150 Дж/л. атм) при Р >3 атм.

Общим недостатком двух вышеописанных систем формирования ОСР является высокая индуктивность разрядного контура ГИН - нагрузка. Это ограничивает время ввода энергии в разряд накачки и затрудняет реализацию ОСР при повышенном давлении активной среды.

Известно устройство для формирования ОСР в активной среде эксимерного лазера, включающее лазерную камеру с двумя профилированными электродами, образующими разрядный промежуток. Для предыонизации используется УФ-излучение. С целью уменьшения индуктивности контура накачки использован промежуточный емкостной накопитель (формирующая линия на глицерине), расположенный в непосредственной близости от разрядной камеры. 8-ми ступенчатый ГИНМаркса использован в качестве зарядного устройства промежуточного накопителя (В.Ю. Баранов, В.М. Борисов и др. Об изменении характеристик эксимерного XeF-лазера при увеличении давления. Квантовая электроника, т.5, 10, 1978, с.2285-2289).

Недостатками устройства являются использование УФ-предыонизации активной среды и принципиальная необходимость применения сложного многоканального газового разрядника для коммутации промежуточного накопителя на нагрузку. Эти факты являются причиной резкого уменьшения эффективности передачи энергии в разряд накачки при Р >4 атм.

Известно устройство накачки широкоапертурного СО₂-усилителя высокого давления, содержащее установленные в диэлектрической разрядной камере электроды разряда накачки - высоковольтный профилированный катод и заземленный плоский сеточный анод, пропускающий рентгеновское излучение. Импульсная система питания устройства состоит из ГИНа, выполненного по схеме LC-генератора, и промежуточного "быстрого" емкостного накопителя, минимизирующего индуктивность разрядного контура накачки и представляющего собой батарею малоиндуктивных конденсаторов, расположенную в непосредственной близости от разрядной камеры. Высоковольтная обкладка промежуточного накопителя соединена с катодом и первым выводом ГИНа, а другая обкладка соединена с анодом и заземленным вторым выводом ГИНа. Устройство снабжено источником мягкого рентгеновского излучения, примыкающим к разрядной камере со стороны анода и выполненным на основе взрывоэмиссионного диода с тормозным прострельным анодом (G. A. Baranov, A.A. Kuchinsky et al. Development of excitation system for a large-area high-pressure СО₂-amplifier. Plasma Devices and Operation, v.5, 1997, p.199-209).

Недостаточное значение апертуры этого устройства накачки (≤25 см³) и вышеописанных систем не позволяет решить задачу генерации или усиления импульсов тераваттной мощности.

Изобретение решает задачу увеличения апертуры устройства накачки газового лазера или усилителя, их рабочего давления активной среды и величины удельного энерговклада в разряд накачки, что необходимо для генерации или усиления пикосекундных импульсов излучения тераваттной мощности.

Сущность изобретения заключается в устройстве накачки широкоапертурного газового лазера или усилителя высокого давления, содержащем установленные в разрядной камере электроды разряда накачки - высоковольтный катод и пропускающий рентгеновское излучение заземленный плоский анод с сеточной структурой, импульсную систему питания, состоящую из генератора импульсных напряжений, выполненного по схеме LC-генератора, и промежуточного емкостного накопителя, высоковольтная обкладка которого соединена с катодом и первым выводом генератора импульсных напряжений, а другая обкладка соединена с анодом и заземленным вторым выводом генератора импульсных напряжений, и снабженном источником рентгеновского излучения - рентгеновским предыонизатором, примыкающим к разрядной камере со стороны анода. Промежуточный накопитель в этом устройстве выполнен в виде охватывающего разрядную камеру водяного конденсатора, высоковольтная обкладка которого расположена в водяной полости, образованной выполненными из металла корпусом разрядной камеры и внешней обечайкой, и через высоковольтный ввод соединена с первым выводом генератора импульсных напряжений и катодом, выполненным сплошным из материала с повышенными фотоэмиссионными свойствами, а анод имеет прямоугольную форму и в его центральной части выполнено окно в виде сетки, прозрачное для излучения рентгеновского предыонизатора.

В частном случае исполнения предложенного устройства накачки водяная полость промежуточного емкостного накопителя может быть соединена с газовым объемом разрядной камеры через диафрагменный компенсатор давления, а промежуточный емкостной накопитель может быть подключен к генератору импульсных напряжений через индуктивность, в том числе и через нелинейную индуктивность.

Техническим результатом, возникающим при использовании изобретения, является увеличение апертуры системы накачки, давления активной среды и величины удельного энерговклада в разряд, что позволяет генерировать или усиливать импульсы пикосекундной длительности тераваттного диапазона мощности. Важнейшим достоинством предложенного устройства является то, что при любых размерах разрядной камеры индуктивность разрядного контура, включающего водяной конденсатор и нагрузку, будет минимально возможной.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен пример конструкции предложенного устройства накачки, а на фиг.2 - электрическая схема импульсной системы питания для возбуждения разряда накачки.

Высоковольтный катод 1 (фиг.1) размерами 290х1200х100 мм, изготовленный из латуни, имеет профилированную форму и расположен над плоским заземленным прямоугольным анодом 2 размерами 120х1000 мм, изготовленным из нержавеющей стали, в центральной части которого выполнено окно 3 в виде металлической сетки, прозрачное для рентгеновского излучения. Поперечное сечение разрядной области (1000х100 мм) определяется размерами плоской части катода 1, межэлектродное расстояние составляет величину 100 мм. Рентгеновский предыонизатор 4 примыкает к разрядной камере 5 и установлен непосредственно под анодом 2. Источник рентгеновского излучения представляет собой взрывоэмиссионный диод с тормозным прострельным анодом, геометрические размеры которого совпадают с размерами поперечного сечения разрядной области. Электроды разряда накачки - катод 1 и анод 2 расположены внутри металлической цилиндрической разрядной камеры 5, заполняемой активной газовой средой. Высоковольтный катод 1 закреплен на проходном изоляторе 6, а анод 2 - на присоединительном фланце 7. В непосредственной близости от разрядной камеры 5 расположена цилиндрическая высоковольтная обкладка промежуточного емкостного накопителя - водяного конденсатора 8, закрепленная на проходном изоляторе 6. Земляная обкладка водяного конденсатора образована металлической поверхностью разрядной камеры 5 и внешней составной металлической обечайкой 9. Образованная между ними водяная полость 10 заполнена дистиллированной деионизированной водой. Напряжение к электродам разряда накачки и водяному конденсатору подведено через высоковольтный ввод 11. Водяная полость 10 промежуточного водяного емкостного накопителя соединена с газовым объемом разрядной камеры 5 через диафрагменный компенсатор давления 12.

Импульсная система питания (фиг.2) построена по принципу ГИН 13 - малоиндуктивный промежуточный емкостной накопитель 8 - нагрузка (разряд накачки между электродами 1 и 2). ГИН 13 выполнен по схеме LC-генератора, а промежуточный емкостной накопитель 8 представляет собой водяной конденсатор (фиг. 1). Катод 1 разрядного промежутка соединен с высоковольтной обкладкой водяного конденсатора 8 и отрицательным выводом ГИН 13, а анод 2 соединен с заземленным выводом ГИН 13. Предыонизация активной среды осуществляется рентгеновским предыонизатором 4 с отдельным блоком питания 14, представляющим собой высоковольтный генератор, коммутируемый разрядником. Синхронизация работы рентгеновского предыонизатора 4 и импульсной системы питания устройства накачки осуществляется с помощью блока синхронизации 15, который может быть выполнен на основе отрезков кабельных линий с коммутацией водородным тиратроном. В устройстве предусмотрена возможность подключения промежуточного емкостного накопителя 8 к ГИН 13 через индуктивность 16.

Устройство накачки работает следующим образом.

Между электродами 1 и 2 разрядной камеры 5 (фиг.1) создается необходимая для работы СО₂-лазера или усилителя газовая смесь при определенном давлении. Благодаря наличию компенсатора 12 такое же давление устанавливается в водяной полости 10 водяного конденсатора 8. Компенсатор давления 12 позволяет автоматически увеличить гидростатическое давление воды в водяной полости 10 при увеличении давления активной среды в разрядной камере 5 и тем самым повысить электрическую прочность жидкого диэлектрика. При этом снижаются механические нагрузки на разрядную камеру при Р>1 атм и переносятся на внешнюю обечайку 9. В начальный момент времени накопительные конденсаторы ГИН 13 и источника питания 14 предыонизатора заряжены до напряжения U₀ (фиг.2). После запуска рентгеновского предыонизатора 4 осуществляется предварительная ионизация газовой смеси между электродами 2 и 1. Через некоторое время сигналом с блока синхронизации 15 производится запуск разрядников ГИН 13, который обеспечивает зарядку промежуточного емкостного накопителя - водяного конденсатора 8 со скоростью, определяемой собственной индуктивностью ГИНа. При достижении на разрядном промежутке некоторого значения U₁(U₁≤U₀•n, где n - число ступеней ГИН 13) происходит разряд водяного конденсатора, который может быть назван "быстрым" накопителем, через разрядный промежуток, причем время ввода энергии в объемный разряд накачки определяется индуктивностью цепи водяной конденсатор - нагрузка. Подключение водяного конденсатора 8 к ГИН 13 через индуктивность 16 предотвращает перекачку энергии из "быстрого" накопителя в LC-генератор (ГИН 13). При этом предпочтительно использование нелинейной индуктивности, позволяющей увеличить скорость предотвращения перекачки.

В приведенном примере (фиг.1, 2) описана конструкция системы накачки СО₂-регенеративного усилителя, входящего в состав лазерного комплекса для генерации и усиления импульсов пикосекундной длительности и тераваттной мощности (А. В. Астахов, Г.А. Баранов и др. Проблемы создания широкоапертурных СО₂-усилителей высокого давления. Международная конференция "Физика лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с веществом". Сборник аннотаций, г. Саров, февраль 2002 г., с.22-23). Расчетные характеристики усилителя:
Апертура разрядной области, см², 10х10.

Длина разрядной области, см, 100.

Состав газовой смеси - CO₂, N₂, He.

Давление газовой смеси, атм, 5-10.

Содержание молекулярных газов, %, не менее, 15.

Удельный энерговклад, Дж/1•атм, не менее, 150.

Коэффициент усиления слабого сигнала, см^-1, не менее, 0,02.

Диаметры разрядной камеры и внешней обечайки 800 мм и 1000 мм соответственно, полная длина конструкции 2000 мм.

16-ти ступенчатый LC-генератор имеет следующие параметры:
Максимальное напряжение, MB, 1,0.

Максимальная запасенная энергия, кДж, 15.

Время заряда промежуточного накопителя, мкс, не более, 2.

Емкость промежуточного накопителя, нФ, не менее, 60.

На прототипе предложенного устройства исследован положительный эффект влияния индуктивности, включенной между "быстрым" накопителем и LC-генератором. На макете экспериментально подтверждена растущая зависимость электрической прочности воды с увеличением ее давления.

Использование: в газовых электроразрядных лазерах сверхатмосферного давления с рентгеновской предыонизацией активной среды. Техническим результатом является увеличение апертуры устройства накачки газового лазера или усилителя рабочего давления активной среды и величины удельного энерговклада в разряд накачки. Сущность изобретения: в устройстве накачки широкоапертурного газового лазера или усилителя высокого давления, содержащем установленные в разрядной камере электроды разряда накачки - высоковольтный катод и пропускающий рентгеновское излучение заземленный плоский анод с сеточной структурой, импульсную систему питания, состоящую из генератора импульсных напряжений, выполненного по схеме LC-генератора, и промежуточного емкостного накопителя, высоковольтная обкладка которого соединена с катодом и первым выводом генератора импульсных напряжений, а другая обкладка соединена с анодом и заземленным вторым выводом генератора импульсных напряжений, и снабженном источником рентгеновского излучения - рентгеновским предыонизатором, примыкающим к разрядной камере со стороны анода, отличающимся тем, что промежуточный емкостной накопитель выполнен в виде охватывающего разрядную камеру водяного конденсатора, высоковольтная обкладка которого расположена в водяной полости, образованной выполненными из металла корпусом разрядной камеры и внешней обечайкой, и через высоковольтный ввод соединена с первым выводом генератора импульсных напряжений и катодом, выполненным сплошным из материала с повышенными фотоэмиссионными свойствами, а анод имеет прямоугольную форму и в его центральной части выполнено окно в виде сетки, прозрачное для излучения рентгеновского предыонизатора. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство накачки широкоапертурного газового лазера или усилителя высокого давления, содержащее установленные в разрядной камере электроды разряда накачки - высоковольтный катод и пропускающий рентгеновское излучение заземленный плоский анод с сеточной структурой, импульсную систему питания, состоящую из генератора импульсных напряжений, выполненного по схеме LC-генератора, и промежуточного емкостного накопителя, высоковольтная обкладка которого соединена с катодом и первым выводом генератора импульсных напряжений, а другая обкладка соединена с анодом и заземленным вторым выводом генератора импульсных напряжений, и снабженное источником рентгеновского излучения - рентгеновским предыонизатором, примыкающим к разрядной камере со стороны анода, отличающееся тем, что промежуточный емкостный накопитель выполнен в виде охватывающего разрядную камеру водяного конденсатора, высоковольтная обкладка которого расположена в водяной полости, образованной выполненными из металла корпусом разрядной камеры и внешней обечайкой, и через высоковольтный ввод соединена с первым выводом генератора импульсных напряжений и катодом, выполненным сплошным из материала с повышенными фотоэмиссионными свойствами, а анод имеет прямоугольную форму и в его центральной части выполнено окно в виде сетки, прозрачное для излучения рентгеновского предыонизатора. 2. Устройство накачки по п. 1, отличающееся тем, что водяная полость промежуточного емкостного накопителя соединена с газовым объемом разрядной камеры через диафрагменный компенсатор давления. 3. Устройство накачки по п. 1 или 2, отличающееся тем, что промежуточный емкостный накопитель подключен к генератору импульсных напряжений через индуктивность.