ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2012 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к мощным эксимерным и другим лазерам высокого давления ТЕ-типа с автоматической УФ-предыонизацией.

Известен импульсно-периодический газоразрядный лазер, в котором с целью уменьшения индуктивности разрядного контура конденсаторы, подсоединенные к электродам, размещены в корпусе лазера [1].

Недостатком данного технического решения является то, что конденсаторы препятствуют продуву газа через разрядную область, снижая частоту следования импульсов, а паразитный пробой по поверхности конденсаторов не позволяет заряжать их до номинального напряжения, что снижает энергию лазерного импульса.

Этих недостатков лишен мощный импульсно-периодический эксимерный газоразрядный лазер с УФ-предыонизацией, в котором конденсаторы, малоиндуктивно подсоединенные к высоковольтному и заземленному электродам, размещены в специальных ячейках на наружной поверхности диэлектрического фланца корпуса [2].

Однако в лазере затруднено необходимое для достижения высокого времени жизни газовой смеси использование керамики в качестве материала фланца. Это связано с большой (до 15 тонн) величиной силы, действующей на диэлектрический фланец при использовании в эксимерном лазере газовой смеси высокого (до 5 атм) давления, приводящей к разрушению керамического фланца за сравнительное короткое время функционирования.

Частично этого недостатка лишен газоразрядный лазер с рентгеновской предыонизацией, в котором конденсаторы, подключенные к электродам, размещены на наружной поверхности диэлектрического фланца, к которому подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом [3]. Нагрузка на фланец уменьшается за счет выравнивания внутреннего и наружного давлений, а малая индуктивность разрядного контура достигается за счет минимизации толщины диэлектрического фланца.

Недостатком указанного устройства является сложность его эксплуатации. Кроме этого, деформация протяженного лазерного корпуса при его заполнении газом высокого давления может приводить к разрушению жестко закрепленного на нем фланца при его выполнении керамическим.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является импульсно-периодический газоразрядный лазер, преимущественно эксимерный, содержащий корпус, в котором размещены система формирования газового потока, предыонизатор, высоковольтный и заземленный электроды, к которым через газопроницаемые токопроводы подсоединены конденсаторы, расположенные в двух контейнерах, установленных по обе стороны плоскости, включающей в себя оси электродов [4].

Указанное устройство отличается малоиндуктивным подключением конденсаторов к электродам, что является условием высокоэффективной работы эксимерного лазера, высокой стабильностью работы в импульсно-периодическом режиме и большим временем жизни газовой смеси, поскольку корпус лазера и контейнеры выполнены из керамики, обычно А₂О₃, стойкой к воздействию УФ-облучения и компонентам газовой среды лазера. Керамические контейнеры, отделяющие конденсаторы от газовой среды лазера, также характеризуются высокой надежностью к воздействию механических нагрузок, обусловленных высоким давлением газа в лазере.

В данном устройстве заземленный электрод размещен на протяженном металлическом фланце компактного керамического корпуса лазера. Это препятствует повышению энергии генерации и средней мощности лазера, так как требуемое для этого увеличение габаритов лазера и давления газа может приводить к разрушению металлокерамического корпуса лазера относительно сложной формы. Применение предыонизатора в виде двух рядов дискретных искр, расположенных сбоку от электродов, обусловливает неоднородности основного объемного разряда, снижая кпд лазера, ограничивает возможность увеличения поперечного сечения разрядной области и энергии генерации, а также уменьшает время жизни газовой смеси из-за повышенной эрозии искровых электродов. Кроме того, когда один из электродов размещен на фланце компактного корпуса лазера, контейнеры, расположенные вблизи электродов, препятствуют продуву газа в межэлектродной области, ограничивая частоту следования импульсов.

Техническим результатом изобретения является увеличение кпд, энергии генерации и средней мощности лазерного излучения при повышении надежности работы импульсно-периодического газоразрядного лазера.

Указанная задача может быть осуществлена усовершенствованием устройства, содержащего корпус, в котором размещены система формирования газового потока, предыонизатор, высоковольтный и заземленный электроды, к которым через газопроницаемые токопроводы подсоединены конденсаторы, расположенные в двух контейнерах, установленных по обе стороны плоскости, включающей в себя оси электродов.

Усовершенствование устройства заключается в том, что в систему формирования газового потока введены направляющие с цилиндрическими поверхностями, при этом образующие цилиндрических поверхностей параллельны оси корпуса, а их кромки примыкают к газопроницаемым токопроводам, высоковольтный электрод расположен со стороны стенки корпуса, контейнеры установлены по обе стороны высоковольтного электрода так, что их стенки, обращенные к разрядной области, образуют часть системы формирования газового потока в приэлектродной области между газопроницаемыми токопроводами и высоковольтным электродом, один из электродов лазера выполнен частично прозрачным, предыонизатор размещен со стороны нерабочей поверхности частично прозрачного электрода и выполнен в виде симметричной системы формирования скользящего разряда по поверхности плоской диэлектрической пластины, при этом корпус выполнен металлическим.

В одном из вариантов устройства заземленный электрод лазера выполнен частично прозрачным, и введена дополнительная система формирования газового потока через частично прозрачный электрод.

На фиг.1 схематично изображен импульсно-периодический газоразрядный лазер;

на фиг.2 - лазер с дополнительной системой формирования газового потока через частично прозрачный заземленный электрод.

Импульсно-периодический газоразрядный лазер содержит протяженный корпус - 1, систему формирования газового потока, включающую в себя диаметральный вентилятор - 2, трубки теплообменника - 3 и направляющие потока - 4 с цилиндрическими поверхностями, образующие цилиндрических поверхностей параллельны продольной оси корпуса. В корпусе - 1 также размещены два протяженных керамических контейнера - 5, установленных по обе стороны плоскости, включающей в себя продольные оси заземленного электрода - 6 и высоковольтного электрода - 7. На фиг.1 высоковольтный электрод - 7, расположенный со стороны стенки корпуса, выполнен частично прозрачным, с щелевыми окнами, перпендикулярными продольной оси электрода. С нерабочей стороны полупрозрачного электрода размещен предыонизатор в виде системы формирования скользящего разряда по поверхности плоской диэлектрической пластины - 8 между поджигающим электродом - 9 и инициирующим электродом - 10. В контейнерах - 5 размещены конденсаторы - 11, которые подсоединены к электродам лазера - 6, 7 через токовводы - 12, 13 и газопроницаемые токопроводы - 14. При этом стенки контейнеров - 5, обращенные к разрядной области, образуют часть системы формирования газового потока в приэлектродной области между газопроницаемыми токопроводами - 14 и высоковольтным электродом - 7. Межэлектродный промежуток расположен в области между газопроницаемыми токопроводами - 14, снаружи этой области к газопроницаемым токопроводам - 14 примыкают кромки направляющих потока - 4. На фиг.2 корпус - 1 содержит элементы - 15, 16 дополнительной системы формирования газового потока через полупрозрачный электрод - 6.

Импульсно-периодический газоразрядный лазер работает следующим образом. Содержащаяся в корпусе - 1 система формирования газового потока, в который входит вентилятор - 2 и трубки теплообменника - 3, обеспечивает циркуляцию газа в корпусе лазера и его охлаждение. Направляющие потока - 4 и обращенные к разрядной области стенки протяженных контейнеров - 5 формируют газовый поток между заземленным электродом - 6 и высоковольтным электродом - 7 с однородным распределением скорости газа между электродами. Включается предыонизатор, и на поверхности плоской диэлектрической пластины - 8 между инициирующим электродом - 9 и поджигающим электродом - 10 образуется плоский слой разрядной плазмы, излучение которой через частично прозрачный электрод осуществляет предварительную ионизацию активного объема лазера. Предыонизации через частично прозрачный электрод позволяет увеличить апертуру объемного разряда и повысить энергию генерации лазера. Выполнение системы формирования скользящего разряда симметричной относительно плоскости, включающей в себя продольные оси электродов, обеспечивает симметричное относительно указанной плоскости распределение начальных электронов и, как следствие, улучшает однородность объемного разряда, повышая качество лазерного пучка. Кроме этого, обеспечивается простота и компактность высокоэффективного предыонизатора. Уровень предыонизации выбирается оптимально высоким за счет регулируемого энерговклада в скользящий разряд. Все это обеспечивает увеличение энергии генерации и эффективности лазера.

Одновременно с работой предыонизатора осуществляется импульсная зарядка конденсаторов - 11, вслед за которой происходит зажигание объемного разряда между электродами - 6, 7. Энергия, запасенная в конденсаторах - 11, вкладывается в разряд. Энерговклад осуществляется по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему конденсаторы - 11, токовводы - 12, 13, газопроницаемые токопроводы - 14, и электроды - 6, 7, что позволяет получить энергию генерации лазера. Размещение высоковольтного электрода со стороны стенки корпуса и размещение керамических контейнеров по обе стороны от высоковольтного электрода обеспечивает его изоляцию от корпуса. После того, как охлаждаемый трубками теплообменника - 3 газовый поток, циркулирующий в корпусе - 1, сменит газ между заземленным и высоковольтным электродами, цикл работы повторяется. Указанное размещение высоковольтного электрода - 7 и контейнеров - 5 совместно с введением направляющих - 4, выполненных в указанном виде, обеспечивает формирование высокоскоростного газового потока между электродами лазера. Это позволяет значительно увеличить частоту следования разрядных импульсов.

При введении дополнительной системы формирования газового потока - 15, 16 осуществляется выдув газа через частично прозрачный заземленный электрод - 6 (фиг.2). Это увеличивает скорость газа у поверхности электрода, вблизи которого она может снижаться из-за центробежной силы и позволяет реализовать высокую частоту следования импульсов в компактном варианте высокоэнергетичного широкоапертурного лазера.

Выполнение корпуса металлическим увеличивает его прочность, повышая надежность работы лазера при высоком давлении газовой смеси.

Таким образом, выполнение импульсно-периодического газоразрядного лазера в предложенном виде позволяет увеличить кпд, энергию генерации и среднюю мощность лазерного излучения при повышении надежности работы лазера.

Использованные источники информации.

1. Reid J. et all. Proc. SPIE O-E / LASE'89 Conference, Paper 1041-29, January, 1989.

2. Патент РФ №2064720, кл.6 Н01S 3/03, 06.10.92. 27.07.96 Бюл. №21.

3. Laser Focus Word, 25, №10, 23 1989.

4. Заявка Японии №1175274, Int. C1.⁴ Н01S 3/097 от 29.12.1987.

Лазер, преимущественно эксимерный, содержит корпус, в котором размещены система формирования газового потока, предыонизатор, высоковольтный и заземленный электроды. К электродам через газопроницаемые токопроводы подсоединены конденсаторы, расположенные в двух контейнерах, установленных по обе стороны плоскости, включающей в себя оси электродов. В систему формирования газового потока введены направляющие с цилиндрическими поверхностями, при этом образующие цилиндрических поверхностей параллельны оси корпуса, а их кромки примыкают к газопроницаемым токопроводам. Высоковольтный электрод расположен со стороны стенки корпуса. Контейнеры установлены по обе стороны высоковольтного электрода так, что их стенки, обращенные к разрядной области, образуют часть системы формирования газового потока в приэлектродной области между газопроницаемыми токопроводами и высоковольтным электродом. Один из электродов лазера выполнен частично прозрачным. Предыонизатор размещен со стороны нерабочей поверхности частично прозрачного электрода и выполнен в виде симметричной системы формирования скользящего разряда по поверхности плоской диэлектрической пластины, при этом корпус выполнен металлическим. Технический результат заключается в увеличении кпд, энергии генерации и средней мощности лазерного излучения при повышении надежности работы лазера. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Импульсно-периодический газоразрядный лазер, преимущественно эксимерный, содержащий корпус, в котором размещены система формирования газового потока, предыонизатор, высоковольтный и заземленный электроды, к которым через газопроницаемые токопроводы подсоединены конденсаторы, расположенные в двух контейнерах, установленных по обе стороны плоскости, включающей в себя оси электродов, отличающийся тем, что в систему формирования газового потока введены направляющие с цилиндрическими поверхностями, при этом образующие цилиндрических поверхностей параллельны оси корпуса, а их кромки примыкают к газопроницаемым токопроводам, высоковольтный электрод расположен со стороны стенки корпуса, контейнеры установлены по обе стороны высоковольтного электрода так, что их стенки, обращенные к разрядной области, образуют часть системы формирования газового потока в приэлектродной области между газопроницаемыми токопроводами и высоковольтным электродом, один из электродов лазера выполнен частично прозрачным, предыонизатор размещен со стороны нерабочей поверхности частично прозрачного электрода и выполнен в виде симметричной системы формирования скользящего разряда по поверхности плоской диэлектрической пластины, при этом корпус выполнен металлическим.

2. Импульсно-периодический лазер по п.1, отличающийся тем, что заземленный электрод лазера выполнен частично прозрачным и введена дополнительная система формирования газового потока через частично прозрачный электрод.