ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ТЕ-ЛАЗЕР Российский патент 2011 года по МПК H01S3/977 H01S3/38 

Предлагаемое техническое решение относится к области квантовой электроники, в частности к газоразрядным импульсно-периодическим лазерам.

Известен газоразрядный лазер JP 200252567 (А), в котором устройство коронной предыонизации установлено так, что весь ток основного разряда проходит через рабочую зону коронного разряда. При этом напряжение на разрядном промежутке накачки снижается относительно напряжения источника питания на величину падения напряжения в зоне коронного разряда. Поэтому часть энергии, запасенная в конденсаторах, расходуется не эффективно и лазер имеет низкий КПД. Кроме того, ресурс электродов снижен, так как разряд накачки формируется на относительно острых кромках электрода, контактирующих с диэлектриком.

Известна электродная система ТЕ-лазера, RU 2340990 (С1), устройство коронной предыонизации которой содержит диэлектрическую трубку с внутренним электродом и охватывающим часть поверхности диэлектрической трубки внешним электродом. Излучение от открытой части поверхности устройства предыонизации попадает в разрядный промежуток. Однако интенсивность предыонизации определяется емкостью предыонизатора, величина емкости предыонизатора ограничена конструкцией предыонизатора и не может быть оптимизирована.

Задачей изобретения является создание импульсно-периодического газоразрядного ТЕ-лазера со стабильным излучением и высоким КПД.

Импульсно-периодический ТЕ-лазер содержит газонаполненную камеру с установленными в ней основными разрядными электродами, зарядный контур, включающий источник импульсного напряжения и обострительные конденсаторы, разрядный контур, включающий обострительные конденсаторы и основные разрядные электроды, хотя бы один коронный предыонизатор в виде диэлектрической трубки с внутренним и внешним электродами, внешний электрод охватывает часть поверхности диэлектрической трубки и соединен с основным разрядным электродом, при этом внешний электрод коронного предыонизатора является токопроводом зарядного контура.

При работе зарядного контура происходит импульсная зарядка обострительного конденсатора от источника импульсного напряжения. При этом создается нарастающее напряжение как между основными разрядными электродами, так и между внешним и внутренним электродами предыонизатора. При достижении на предыонизаторе соответствующей напряженности электрического поля зажигается коронный разряд, на рабочей поверхности диэлектрической трубки возникает плазма коронного разряда. Так как внешний электрод предыонизатора охватывает часть диэлектрической трубки и является токопроводом для зарядки обострительных конденсаторов, а на другой части диэлектрической трубки образована плазма коронного разряда, обладающая электрической проводимостью, то ток зарядки обострительных конденсаторов идет как через внешний электрод предыонизатора, так и через плазму коронного разряда. Ток, протекающий через плазму коронного разряда, усиливает свечение плазмы от рабочей зоны предыонизатора, тем самым повышая степень ионизации газа в разрядном промежутке на стадии формирования основного разряда. Это повышает эффективность лазера и качество генерируемого излучения.

Импеданс внешнего электрода предыонизатора соотносится с импедансом плазмы коронного разряда предыонизатора так, что через плазму коронного разряда протекает не более 5% от тока зарядного контура. Для создания оптимальной интенсивности свечения коронного разряда на поверхности диэлектрической трубки коронного предыонизатора достаточно, чтобы через плазму коронного разряда протекало не более 5% от тока зарядного контура. При более высоких значениях тока через плазму коронного разряда эффективность предыонизации не увеличивается, а потери энергии на поддержание плазмы возрастают.

Внешний электрод предыонизатора интегрирован с основным разрядным электродом. Внешний электрод предыонизатора может быть выполнен интегрировано, например, с высоковольтным электродом, это снижает конструктивную индуктивность разрядного контура и повышает эффективность при работе с газовыми смесями, требующими относительно быстрой накачки, например в эксимерных лазерах.

Обострительные конденсаторы установлены внутри камеры. Установка обострительных конденсаторов внутри камеры позволяет существенно уменьшить индуктивность разрядного контура и соответственно увеличить КПД лазера.

Обострительные конденсаторы установлены вне камеры и соединены с основным разрядным электродом двумя рядами высоковольтных вводов. Установка обострительных конденсаторов вне камеры при соединении их с основным разрядным электродом двумя рядами высоковольтных вводов позволяет обеспечить высокий уровень предыонизации и повысить ресурс лазера. Два ряда высоковольтных вводов при последовательном их соединении в зарядной цепи позволяют пропускать зарядный ток через основной электрод и, частично, через плазму коронного разряда предыонизации. При короткой длительности импульса ток вытесняется в поверхностный слой проводника. Поэтому при зарядке конденсаторов ток течет в поверхностном слое основного разрядного электрода. Толщина поверхностного слоя зависит от длительности импульса и материала электрода и в импульсном газовом лазере может составлять доли миллиметра. Например, толщина скин-слоя в меди при длительности импульса порядка 10 мс составляет примерно 0,2 мм. Так как при подаче напряжения на основной разрядный электрод на рабочей поверхности устройства короной предыонизации горит плазма коронного разряда, являющаяся проводником, то часть тока течет через плазму коронного разряда, усиливая свечение плазмы коронного разряда, что повышает эффективность предыонизации. Во время основного разряда часть тока также идет через плазму коронного разряда, при этом продолжается горение плазмы и основной разрядный промежуток подсвечивается ультрафиолетовым излучением от плазмы и во время самого разряда. Это делает разряд более стабильным, повышает качество излучения лазера.

Поверхность основного разрядного электрода между рядами высоковольтных вводов со стороны коронного предыонизатора имеет слой с высокой электропроводностью. Поверхность основного разрядного электрода между рядами высоковольтных вводов контура зарядки имеет слой с высокой электропроводностью со стороны, содержащей коронный предыонизатор. Это позволяет уменьшить сопротивление и увеличить ток поверхностного слоя электрода со стороны рабочей поверхности предыонизатора относительно тока, протекающего между рядами высоковольтных вводов со стороны, не содержащей предыонизатор (базовой поверхности электрода).

Основной разрядный электрод между рядами высоковольтных вводов со стороны, не содержащей предыонизатор, имеет развитую поверхность. Развитие поверхности основного разрядного электрода между рядами высоковольтных вводов со стороны, не содержащей предыонизатор, увеличивает сопротивление данного участка при коротком импульсе, так как за счет скин-эффекта ток течет по более длинному пути. Это создает условия для прохождения большего тока через коронный разряд.

Установлен второй коронный предыонизатор, внешний электрод которого интегрирован с вторым основным разрядным электродом. Дополнительный предыонизатор позволяет более равномерно освещать разрядный промежуток и, соответственно, получать более высокое качество основного разряда и выходного излучения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание импульсно-периодического ТЕ-лазера с высокой эффективностью предыонизации и стабильной работой лазера.

На фиг.1 представлено поперечное сечение лазера с обострительными конденсаторами, расположенными внутри камеры.

На фиг.2 представлена электрическая схема лазера, изображенного на фиг.1.

На фиг.3 представлено поперечное сечение предыонизатора.

На фиг.4 представлено поперечное сечение лазера с конденсаторами, расположенными вне камеры лазера.

На фиг.5 представлена электрическая схема лазера, изображенного на фиг.4.

На фиг.6 представлена электрическая схема лазера с предыонизаторами, установленными вблизи каждого из основных разрядных электродов.

На фиг.1 в камере лазера, образованной корпусом 1 и изолирующей крышкой 2, установлены высоковольтный электрод 11 и заземленный электрод 14, образующие разрядный промежуток 12. Предыонизатор коронного разряда 6 по фиг.1, 2, 3 включает внутренний электрод 9 соединенный с заземленным электродом, диэлектрическую трубку 8 и внешний электрод 7, частично охватывающий диэлектрическую трубку 8 и соединенный с одной стороны с высоковольтным электродом, а с другой стороны с зарядным конденсатором. Поверхность а диэлектрической трубки 8 является рабочей поверхностью предыонизатора 6. На поверхности а, между кромками b и с образуется плазма коронного разряда, являющаяся источником излучения для предыонизации газа в разрядном промежутке 12 между основными разрядными электродами 11 и 14. Внешний электрод 7 соединен с высоковольтным электродом 11 вдоль кромки с, а с конденсатором 5 вдоль кромки b. Источник импульсного напряжения 4 соединен вводом 10 с высоковольтным электродом 11, а вводом 3 с конденсатором 5. Зарядный контур по фиг.1, 2 включает конденсатор 5, источник импульсного напряжения 4, высоковольтный электрод 11, токопроводы 3, 10, 7, причем токопровод 7 является внешним электродом предыонизатора 6. Разрядный контур по фиг.1, 2 включает конденсатор 5, высоковольтный электрод 11, заземленный электрод 14, разрядный промежуток 12, токопроводы 7, 15. Токопровод 7 является внешним электродом предыонизатора 6.

При генерации импульса высокого напряжения источником 4 в зарядном контуре течет ток зарядки обострительных конденсаторов 5. При этом между внешним 7 и внутренним 9 электродами предыонизатора 6 создается напряженность электрического поля, достаточная для образования на рабочей поверхности а диэлектрической трубки 5 между кромками b и c, коронного разряда. Часть тока зарядки идет через внешний электрод предыонизатора 7, часть тока идет через плазму на поверхности диэлектрика 5. Зарядный ток, протекающий через плазму коронного разряда, дополнительно усиливает свечение плазмы и, таким образом, повышает эффективность предыонизации.

После достижения на основных разрядных электродах 11, 14 напряжения пробоя, между электродами зажигается разряд и ток течет в разрядном контуре. Аналогично вышеописанному, часть тока идет через плазму коронного разряда предыонизатора, что усиливает свечение предыонизации и на стадии горения основного разряда. За счет дополнительной подсветки стабильность основного разряда повышается, что положительно влияет на характеристики лазерного излучения.

Выбором формы, материала, габаритов проводника, которым служит внешний электрод 7 предыонизатора, подбирается его импеданс таким, чтобы через плазму проходил оптимальный ток. Эксперименты показывают, что оптимальное значение тока зарядки, протекающее через зону коронного разряда, не более 5% тока зарядки конденсатора. При этом разряд накачки генерирует лазерное излучение высокого качества при минимуме затрат энергии. Генерируемое излучение выводится из камеры через окно 11.

На фиг.4, 5 обострительные конденсаторы установлены вне камеры. Предыонизатор 6 интегрирован с высоковольтным электродом 18, при этом электрод 18 является как основным разрядным электродом, так и внешним электродом предыонизатора 6. Электрод подсоединен к зарядному контуру с помощью двух рядов высоковольтных вводов, ряд вводов 17 соединяет электрод с источником высокого напряжения 4, ряд вводов 16 соединяет электрод с рядом обострительных конденсаторов 5. Таким образом, электрод 18 является токопроводом контура зарядки обострительного конденсатора 5. Высоковольтный электрод 18 имеет развитую поверхность е между вводами 16 и 17. Поверхность d электрода 18 имеет слой высокой проводимости.

При подаче импульса напряжения от источника питания 4 между высоковольтным электродом 18 и внутренним электродом 9 предыонизатора 6 возникает разность потенциалов, на поверхности диэлектрической трубки 8 возникает плазма коронного разряда. Ток заряда конденсатора 5 идет через вводы 17, поверхностный слой высоковольтного электрода 18, плазму коронного разряда на поверхности диэлектрика 5 предыонизатора и вводы 15. Поскольку контур работает в импульсном режиме, ток вытесняется в поверхностный слой электрода 18. Благодаря тому, что часть тока проходит через рабочую зону предыонизатора, свечение из зоны коронного разряда увеличивается, что повышает концентрацию заряженных частиц в разрядном промежутке 12. Конденсаторы 19 на стадии зарядки не участвуют в усилении предыонизации и заряжаются от источника питания напрямую.

При разряде импульс тока идет от конденсаторов 5, 19 через вводы 16, 17, внешнюю поверхность электрода 18 и частично через плазму коронного разряда на поверхности диэлектрика 5, поддерживая свечение плазмы. Подсветка предыонизатора во время разряда дополнительно стабилизирует газовый разряд лазера.

На фиг.6 предыонизаторы коронного разряда 6, 20 установлены возле каждого из основных разрядных электродов, внутренние электроды предыонизаторов соединены между собой. При подаче напряжения от источника высокого напряжения 4 между основными разрядными электродами возникает разность потенциалов. Внутренние электроды предыонизаторов приобретают потенциал относительно основных разрядных электродов. При этом на поверхности диэлектрика предыонизаторов формируется плазма коронного разряда. Конденсатор 5 заряжается, причем ток идет частично через плазму коронного разряда на поверхности диэлектриков обоих предыонизаторов 6, 20, повышая тем самым эффективность и однородность предыонизации основного разрядного промежутка.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет установить оптимальный уровень предыонизации и повысить эффективность импульсно-периодического ТЕ-лазера.

Лазер содержит газонаполненную камеру с установленными в ней основными разрядными электродами, зарядный контур и разрядный контур. Зарядный контур включает источник импульсного напряжения и обострительные конденсаторы. Разрядный контур включает обострительные конденсаторы и основные разрядные электроды, хотя бы один коронный предыонизатор в виде диэлектрической трубки с внутренним и внешним электродами. Внешний электрод предыонизатора охватывает часть поверхности диэлектрической трубки и соединен с основным разрядным электродом. При этом внешний электрод коронного предыонизатора является токопроводом зарядного контура. Технический результат заключается в повышении эффективности предыонизации и стабильности работы. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Импульсно-периодический ТЕ-лазер, содержащий газонаполненную камеру с установленными в ней основными разрядными электродами, зарядный контур, включающий источник импульсного напряжения и обострительные конденсаторы, разрядный контур, включающий обострительные конденсаторы и основные разрядные электроды, хотя бы один коронный предыонизатор в виде диэлектрической трубки с внутренним и внешним электродами, внешний электрод предыонизатора охватывает часть поверхности диэлектрической трубки и соединен с основным разрядным электродом, отличающийся тем, что внешний электрод коронного предыонизатора является токопроводом зарядного контура.

2. Импульсно-периодический ТЕ-лазер по п.1, отличающийся тем, что импеданс внешнего электрода предыонизатора соотносится с импедансом плазмы коронного разряда предыонизатора так, что через плазму коронного разряда протекает не более 5% от тока зарядного контура.

3. Импульсно-периодический ТЕ-лазер по п.1, отличающийся тем, что внешний электрод предыонизатора интегрирован с электродом разряда накачки.

4. Импульсно-периодический ТЕ-лазер по пп.1-3, отличающийся тем, что обострительные конденсаторы установлены внутри камеры.

5. Импульсно-периодический ТЕ-лазер по пп.1-3, отличающийся тем, что обострительные конденсаторы установлены вне камеры и соединены с электродом разряда накачки двумя рядами высоковольтных вводов.

6. Импульсно-периодический ТЕ-лазер по п.5, отличающийся тем, что поверхность разрядного электрода между рядами высоковольтных вводов со стороны, содержащей коронный предыонизатор, имеет слой с высокой электропроводностью.

7. Импульсно-периодический ТЕ-лазер по п.5, отличающийся тем, что поверхность электрода разряда накачки между рядами ВВ-вводов со стороны, не содержащей коронный предыонизатор, имеет развитую внешнюю поверхность.

8. Импульсно-периодический ТЕ-лазер по п.5, отличающийся тем, что установлен второй коронный предыонизатор, внешний электрод которого интегрирован с вторым электродом разряда накачки.