НЕЦЕПНОЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ HF(DF)-ЛАЗЕР Российский патент 2003 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к газовым лазерам, которые могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства для научно-исследовательских и технологических целей.

Известен нецепной электроразрядный HF(DF)-лазep с энергией излучения 28 Дж и с инициированием химической реакции объемным самостоятельным разрядом (ОСР) (см. VII Конф. по физике газового разряда, Рязань, изд-во Рязан. радиотехнической акад., 1996, [1], Квантовая электроника, Москва 24, 213, 1997 [2]).

В известном устройстве значительно увеличены объем активной среды и энергия лазерного излучения за счет использования для получения ОСР барьерного разряда, распределенного по всей поверхности катода. При шероховатой поверхности катода (ЖТФ, 22(23), 60, 1996 [3]) ОСР в смеси SF₆ с углеводородами (или угледейтеридами) можно получить без специальных устройств предыонизации.

В [3] ОСР зажигался в однородном электрическом поле между электродами с профилем Чанга. Недостатком известного устройства является то обстоятельство, что при увеличении объема активной среды и апертуры излучения лазера использование электродов с профилем Чанга приводит к увеличению габаритов лазерной камеры и индуктивности разрядного контура, что критично для HF(DF)-лазера из-за ограниченного времени горения ОСР.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является известный нецепной электроразрядный НF(DF)-лазер [4] (см. Квантовая электроника, 25, 2, с. 123, 1998), в котором получен ОСР с однородным вкладом энергии по разрядному объему без устройств предыонизации с компактной электродной системой при использовании плоского катода. Обычно такие системы отличаются высоким краевым усилением электрического поля. Однако в активной среде HF(DF) лазера эти неоднородности удалось устранить за счет специфики протекания тока в сильно электроотрицательном газе. В результате создан широкоапертурный нецепной HF(DF)-лазep с энергией лазерного излучения 140 Дж на HF и 115 Дж на DF при компактной электродной системе. Эти лазеры дают достаточно однородное излучение с высокой пиковой мощностью (0,5-0,6 ГВт).

Недостатком известного устройства является то обстоятельство, что в HF(DF)-лазepax с большой апертурой (15-30 см) генерация на краю разрядного промежутка начинается на ~100 нс раньше, чем на оптической оси (Int. Symp. Flow and Chemical Lasers, High power Lasers Conf., 31 August - 5 Sept., 1998, St. Petersburg [5]). Этот нежелательный эффект обусловлен спецификой формирования ОСР без предыонизации. ОСР начинается в виде катодного пятна с привязанным к нему диффузным каналом в области краевой неоднородности электрического поля и затем растекается по всей поверхности катода.

Заявляемый в качестве изобретения нецепной электроразрядный HF(DF)-лазер направлен на обеспечение генерации лазерного излучения одновременно по всему объему разрядного промежутка.

Указанный результат достигается тем, что нецепной электроразрядный HF(DF)-лазep содержит разрядную камеру, металлические анод и катод, источник постоянного напряжения на 50-100 кВ мощностью 0,5-10 кВт, системы откачки и напуска газовой смеси, оптический резонатор, при этом анод выполнен в виде сетки с прозрачностью 50-70%, натянутой на каркас, а с обратной стороны анода установлены искровые зазоры 3-5 мм, которые соединены с каркасом анода изолированными проводниками и распределены по длине анода с шагом 2-3 см.

Отличительными признаками заявляемого нецепного электроразрядного НF(DF)-лазера являются:
- выполнение анода в виде сетки с прозрачностью 50-70%;
- установка с обратной стороны анода искровых зазоров размером 3-5 мм;
- распределение искровых зазоров по длине анода с шагом 2-3 см;
- соединение искровых зазоров с каркасом анода изолированными проводниками.

Выполнение анода в виде сетки с прозрачностью 50-70% позволяет обеспечить равномерное инициирование ОСР на катоде.

Установка с обратной стороны анода искровых зазоров размером 3-5 мм, распределение зазоров по длине анода с шагом 2-3 см и соединение искровых зазоров с каркасом анода изолированными проводниками позволяют обеспечить однородную подсветку катода ультрафиолетовым излучением искровых зазоров, расположенных за анодом в виде сетки.

Выбор величины прозрачности (50-70%) анода в виде сетки обусловлен конкуренцией двух явлений:
- с одной стороны, плотность тока на аноде не должна быть слишком большой для исключения возможности искрового пробоя в местах появления высокой плотности тока в результате искажения электрического поля;
- с другой стороны, прозрачность анода в виде сетки должна обеспечивать однородную подсветку катода ультрафиолетовым излучением искровых зазоров.

Сущность заявляемого нецепного электроразрядного НF(DF)-лазера поясняется примером его реализации и графическими материалами.

На фиг. 1 представлена типичная схема получения ОСР в HF(DF)-лазepe в плоскости, перпендикулярной оптической оси. На этой фигуре А и К - сплошные металлические анод и катод, C₁ - конденсатор зарядный, C₂ - обостряющий конденсатор, Р - разрядник, I - направление разрядного тока.

На фиг.2 приведено схематическое изображение заявляемого HF(DF)-лазера. Плоский анод А изготовлен в виде сетки 1, натянутой на каркас 2. За анодом расположены искровые зазоры 3.

Лазер работает следующим образом. Энергия запасается в конденсаторе C₁. Зарядка производится постоянным напряжением, возможна импульсная зарядка. Через разрядник напряжение прикладывается к обостряющему конденсатору С₂ и по мере его зарядки к разрядному промежутку. С целью получения короткого разрядного импульса в таких схемах делается очень плотная ошиновка так, что ток зарядки емкости C₂ и C₁ протекает по поверхности электродов. Направление этого тока на фиг.1 показано стрелками. При большом поперечном размере электродов в лазерах с большой апертурой (15 и более см) и плотной ошиновке разрядной камеры индуктивность электрода составляет значительную часть (до 1/6) от суммарной индуктивности контура перезарядки C₁ и С₂, поэтому индуктивное падение напряжения на поперечном размере электрода, Lэ dI/dt, достигает нескольких десятков киловольт.

При зарядке емкости С₂ от C₁ за счет падения напряжения на индуктивности электрода искровые зазоры пробиваются и обеспечивают зажигание ОСР за счет инициирования электронов на катоде. Параллельный пробой всех искровых зазоров обеспечен за счет развязки их собственной индуктивностью.

Испытания предложенного лазера проводились на НF(DF)-лазере с межэлектродным расстоянием 27 см. Длина катода составляла 100 см, анода 120 см при ширине соответственно катода и анода 20 и 40 см. На фиг.3 показаны осциллограммы наложенных импульсов генерации на оптической оси (1) и на краю разрядного промежутка (2), полученные в прототипе. Из фиг. 3 видно, что действительно генерация на краю начинается раньше, чем в центре. На фиг.4 представлены осциллограммы импульсов генерации на оптической оси и на краю промежутка, снятые с использованием предложенного изобретения. Видно, что импульсы генерации в центре и на краю разрядного промежутка в данном случае практически накладываются.

Таким образом, за счет инициирования ОСР УФ-излучением без дополнительных затрат энергии значительно уменьшен временной сдвиг начала генерации в центре и на краю разрядного промежутка.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к электроразрядным лазерам. Нецепной электроразрядный HF(DF)-лазер включает разрядную камеру, металлический анод в виде сетки, натянутой на каркас, металлический катод, источник постоянного напряжения, системы откачки и напуска газовой смеси, оптический резонатор. Прозрачность сетки анода выбрана в пределах 50-70%. С обратной стороны анода изолированными проводниками образованы искровые зазоры размером 3-5 мм. Изолированные проводники, образующие искровые зазоры, соединены с каркасом анода и распределены по длине анода с шагом 2-3 см. Одновременный пробой всех искровых зазоров обеспечен за счет развязки их собственной индуктивностью. Технический результат изобретения - повышение однородности и пиковой мощности излучения. 4 ил.

Нецепной электроразрядный НF(DF)-лазер, включающий разрядную камеру, металлический анод в виде сетки, натянутой на каркас, металлический катод, источник постоянного напряжения на 50-100 кВ, мощностью 0,5-10 кВт, системы откачки и напуска газовой смеси, оптический резонатор, отличающийся тем, что прозрачность сетки анода выбрана в пределах 50-70%, с обратной стороны анода изолированными проводниками образованы искровые зазоры размером 3-5 мм, причем изолированные проводники, образующие искровые зазоры, соединены с каркасом анода и распределены по длине анода с шагом 2-3 см, при этом одновременный пробой всех искровых зазоров обеспечен за счет развязки их собственной индуктивностью.