АЗОТНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2007 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к конструкциям импульсных газовых азотных лазеров с накачкой продольным импульсным разрядом.

Азотные лазеры представляют собой лазеры, работающие на самоограниченных переходах молекул азота, в которых длительность и частота генерируемых лазерных импульсов ограничиваются соотношением скоростей возбуждения и релаксации рабочих уровней. Для возбуждения верхних лазерных уровней используется импульсная накачка, причем длительность возбуждающего импульса должна быть короче радиационного времени жизни верхнего лазерного уровня, имеющего значение τ˜40 наносекунд. Для получения высокой пиковой мощности инверсию населенностей на переходах молекулы азота необходимо создавать за время t, значительно меньшее радиационного времени жизни верхнего лазерного уровня [1].

При газоразрядном методе накачки время накачки t зависит от плотности и скорости нарастания импульса тока на стадии пробоя разрядной трубки. Это время зависит от геометрических размеров разрядного промежутка, давления азота в разрядной трубке и параметров электрической цепи. При этом время накачки и параметры импульсов излучения лимитируются, главным образом, таким электрическим параметром, как индуктивность разрядной цепи [1-5].

Одним из типов газоразрядных лазеров на молекулярном азоте является лазер с продольной накачкой, когда в разрядном промежутке возбуждается продольный электрический разряд.

Известен азотный лазер, в котором накачка осуществляется с помощью генератора Блюмляйна на основе двойной коаксиальной линии [4]. Известен также азотный лазер, состоящий из активного элемента, резонатора и устройства формирования высоковольтных импульсов возбуждения. Активный элемент включает коаксиальную трубку с разрядным каналом и холодными электродами - катодом и анодом; резонатор образован глухим диэлектрическим зеркалом и кварцевой пластиной без покрытия [5].

Общим недостатком указанных устройств является большая величина индуктивности протяженной разрядной цепи, не позволяющая формировать импульсы накачки малой длительности и с большим током и, соответственно, не позволяющая получать высокие значения энергии лазерного излучения в импульсе и импульсные мощности.

В качестве прототипа заявляемого технического решения выбран молекулярный газовый лазер с электрическим возбуждением активной газовой среды, в качестве которой может использоваться азот [6]. Лазер состоит из двух последовательно расположенных цилиндрических конденсаторов, активного элемента, размещенного в сквозном отверстии, выполненном в одном из конденсаторов, резонатора и устройства формирования высоковольтных импульсов накачки. Разрядный канал образован цилиндрической диэлектрической трубкой, на торцах которой размещены электроды. При разряде конденсаторов в разрядном канале активного элемента возбуждается продольный электрический разряд.

Конструктивное выполнение известного лазера на молекулярном азоте обеспечивает некоторое уменьшение индуктивности разрядной цепи, однако оно недостаточно для получения мощного лазерного излучения.

Как известно, максимальное значение тока накачки в газоразрядном промежутке в импульсном режиме в общем случае определяется соотношением [2, 3]:

где U_пр - напряжение пробоя разрядного канала, R_п - омическое сопротивление разрядного канала, ρ - волновое сопротивление разрядного контура.

Поскольку R_п разрядного канала после его пробоя становится очень малым, главным фактором, определяющим величину I_max, является волновое сопротивление, пропорциональное индуктивности L [2, 3, 7]:

где С - емкость конденсатора, который разряжается на разрядный канал.

Длительность тока накачки τ для случая, когда ρ>>R_п, также пропорциональна индуктивности электрического контура [2, 3, 7]:

Таким образом, из (1), (2) и (3) следует, что основные параметры накачки азотного лазера - ток и его длительность - для фиксированного значения накопительной емкости С определяются индуктивностью разрядного контура L.

Разрядный контур в азотном лазере, принятом за прототип, образован газоразрядным каналам и металлическими обкладками цилиндрического конденсатора, в сквозной полости которого он размещен. Индуктивность такого коаксиального разрядного контура L определяется выражением [7]:

где μ_о - магнитная постоянная; q - радиус разрядного канала;

p - радиус внешнего токопровода.

Для уменьшения индуктивности L следует уменьшать величину q, но такой подход недостаточно эффективен, так как уменьшение L за счет уменьшения q ограничивается толщиной диэлектрической стенки конденсатора, при которой происходит его пробой. Расчеты показывают, что индуктивность разрядного контура в устройстве-прототипе составляет сотни наногенри.

Таким образом, недостатками азотного лазера, принятого за прототип, являются невысокие энергетические характеристики импульсного излучения и недостаточный КПД накачки.

Задача, решаемая изобретением, - повышение энергетических характеристик импульсного излучения и КПД накачки газовых лазеров с продольным разрядом.

Указанная задача решается тем, что в азотном лазере, включающем разрядный канал, электроды для возбуждения в разрядном канале продольного электрического разряда, подсоединенные к устройству формирования высоковольтных импульсов накачки, и резонатор, разрядный канал формируется между тремя пластинами из диэлектрического материала, расположенными параллельно друг другу, при этом в крайних пластинах выполнены сквозные отверстия, расположенные напротив электродов, а в центральной пластине с противоположной стороны от упомянутых отверстий выполнен сквозной паз, разрядный канал имеет в продольном сечении П-образную форму, при этом полости между крайними пластинами и центральной пластиной образуют плечи П-образного разрядного канала, соединенные между собой пазом.

Параметры разрядного канала выбираются из условий:

где b и с - соответственно ширина и высота разрядного канала, d - расстояние между плечами разрядного канала.

Сущность изобретения заключается в формировании П-образного разрядного канала и соответствующем расположении электродов относительно плеч разрядного канала, что обеспечивает протекание тока в плечах разрядного канала в противоположных направлениях относительно друг друга и приводит к существенному снижению величины индуктивности такого разрядного контура.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 схематически изображен заявляемый азотный лазер, на фиг.2 приведена форма и геометрические размеры разрядного канала.

Азотный лазер состоит из активного элемента, резонатора и устройства формирования импульсов. Активный элемент образован диэлектрическими пластинами 1 и 2, между которыми расположена тонкая диэлектрическая пластина 3, выполненная, например, из кварца, стекла или керамики. На пластине 1 расположен катод 4, а на пластине 2 - анод 5, подсоединенные к устройству формирования высоковольтных импульсов накачки 6, включающему импульсный генератор (выполненный, например, в виде генераторов Блюмляйна, Маркса или импульсного трансформатора), и подсоединенный к нему низкоиндуктивный емкостной накопитель энергии. В пластинах 1 и 2 выполнены сквозные отверстия 7 и 8, напротив которых расположены катод 4 и анод 5. В центральной пластине 3 с противоположной стороны от отверстий 7 и 8 выполнен паз 9. Отверстия 7 и 8 и паз 9 расположены таким образом, что в пространстве между пластинами 1, 2, 3 формируется разрядный канал 10, имеющий в продольном сечении П-образную форму, при этом полости между пластинами 1 и 2 с одной стороны и центральной пластиной 3 с другой стороны образуют плечи разрядного канала 10, соединенные между собой пазом 9. С торцов разрядный канал 10 герметизируется окнами 11 и 12, расположенными, например, под углом Брюстера. Оптический резонатор образован «глухим» зеркалом 13 и прозрачным выходным зеркалом 14. Ввод газа в разрядный канал 10 осуществляется через отверстие 15, выполненное в верхней пластине 1.

Геометрические параметры разрядного канала выбираются из следующих соображений.

Индуктивность L разрядного канала прямоугольного сечения (фиг.2) определяется соотношением [7]:

где γ=с/d.

Как следует из (5), индуктивность L разрядного канала определяется соотношением между величинами b, с и d, где b и с соответственно ширина и высота разрядного канала, d - расстояние между его плечами (толщина центральной диэлектрической пластины 3).

Заявителем установлено, что наибольшее снижение индуктивности разрядного контура достигается при выполнении следующих условий:

Для типичных значений b=3 мм, с=30 мм, d=1 мм и общей протяженности разрядного канала 0,5 м его индуктивность составит 6 наногенри, что значительно меньше индуктивности коаксиального разрядного контура в устройстве-прототипе при сравнимых геометрических размерах.

Азотный лазер согласно изобретению работает следующим образом. Через отверстие 15 в разрядный канал напускается газ (азот). Затем от устройства 6 на катод 4 и анод 5 подается высоковольтный импульс, в результате чего в разрядном канале возникает продольный электрический разряд, возбуждающий рабочие уровни молекул азота и приводящий к генерации лазерного излучения. Токи I₁ и I₂ в плечах разрядного канала 10 текут в противоположных направлениях. Близость токов I₁ и I₂ приводит к эффективному вычитанию магнитных потоков, порождаемых этими токами, и соответствующему уменьшению индуктивности разрядного контура, что обеспечивает достижение в газовом разряде больших по величине и меньших по длительности токов накачки. Это, в свою очередь, приводит к повышению эффективности накачки и достижению более высоких значений энергии излучения в импульсе при малой длительности импульса лазерного излучения.

Лазерное излучение генерируется в резонаторе между зеркалами 13 и 14 и выходит через прозрачное зеркало 14 наружу.

Таким образом, по сравнению с устройством-прототипом заявляемый азотный лазер позволяет получить более высокие энергетические характеристики лазерного излучения и КПД накачки.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.М.Каслин, Г.Г.Петраш. "Импульсные газовые лазеры на электронных переходах молекул". - Труды ФИАН. - М., Наука, 1971 г., т.81, с.88-185.

2. В.В.Савин, В.Ф.Тарасенко, Ю.И.Бычков. "Исследование переходной стадии разряда в азотном лазере". - ЖТФ, 1976 г., с.198-201.

3. Ю.И.Бычков, В.В.Савин. В.Ф.Тарасенко. "Энергетические характеристики азотного лазера". - Газовые лазеры. Под ред. Р.И.Солоухина и В.П.Чеботарева. Новосибирск, Наука, 1977 г., с.224-238.

4. А.М.Ражев, Г.Г.Телегин. "Импульсные ультрафиолетовые лазеры на молекулярном азоте". - Зарубежная радиоэлектроника, 1978 г., №3, с.76-94.

5. В.В.Кюн, В.Г.Самородов, Ю.М.Токунов. "Импульсно-периодические азотные лазеры". Обзоры по электронной технике, серия 11, выпуск 2 (1437), 1989 г., с.14-22.

6. Патент США №4367553, НКИ 372/55, 1983 г. (прототип).

7. П.Л.Калантаров, Л.Н.Цейтлин. "Расчет индуктивностей. Справочная книга". Ленинград, Энергия, 1970 г., 416 с.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к конструкциям импульсных газовых азотных лазеров с накачкой продольным импульсным разрядом. Азотный лазер включает активный элемент, содержащий диэлектрические пластины, в которых выполнены, соответственно, сквозные отверстия; катод и анод, резонатор, образованный зеркалами, и устройство формирования высоковольтных импульсов накачки. Расположение пластин, отверстий и паза обеспечивает образование П-образного разрядного канала, что значительно снижает индуктивность разрядного контура. Технический результат - повышение КПД накачки газовых лазеров с продольным разрядом и повышение энергетических характеристик импульсного лазерного излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Азотный лазер, включающий разрядный канал, электроды для возбуждения в разрядном канале продольного электрического разряда, подсоединенные к устройству формирования высоковольтных импульсов накачки, и резонатор, отличающийся тем, что разрядный канал формируется между тремя пластинами из диэлектрического материала, расположенными параллельно друг другу, при этом в крайних пластинах выполнены сквозные отверстия, расположенные напротив электродов, а в центральной пластине с противоположной стороны от упомянутых отверстий выполнен сквозной паз, разрядный канал имеет в продольном сечении П-образную форму, при этом полости между крайними пластинами и центральной пластиной образуют плечи П-образного разрядного канала, соединенные между собой пазом.2. Азотный лазер по п.1, отличающийся тем, что параметры разрядного канала выбираются из условий

1≥b/c>0 и d/c<0,1,

где b и с - соответственно, ширина и высота разрядного канала, d - расстояние между плечами разрядного канала.