РАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ГАЗОРАЗРЯДНОГО ТЕ ЛАЗЕРА Российский патент 2017 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к разрядным устройствам импульсно-периодических ТЕ лазеров.

В импульсно-периодических газовых ТЕ лазерах для получения высокой мощности накачки необходимо формировать малоиндуктивный разрядный контур, размещая разрядные конденсаторы в непосредственной близости от разряда накачки, такой, например, как в патенте JPH 01175274 (В2) или в патенте JP 2718623 (В2) (фиг. 5). Однако размещение разрядных конденсаторов в области потока газа существенно ограничивает скорость прокачки газа, снижает однородность потока и не позволяет получить высокую частоту следования лазерных импульсов в газовом лазере.

Известно разрядное устройство лазера, патент US 6377595, в котором для увеличения энергии импульса вне зоны потока газа установлен второй ряд разрядных конденсаторов. Однако в такой конструкции увеличение общей емкости ограничено условием равенства времени разряда всех конденсаторов. Кроме того, волновое сопротивление контура приближенного к электроду ряда конденсаторов отличается от волнового сопротивления более удаленного ряда конденсаторов, что приводит к рассогласованию импедансов контуров накачки и соответственно к снижению эффективности работы электродного устройства.

Известен патент RU 2510109 (С1), в котором разрядные конденсаторы расположены у каждого электрода, но конденсаторы соединены между собой последовательно, что уменьшает их суммарную емкость и увеличивает индуктивность контура накачки. Оба фактора способствуют снижению мощности энерговклада в разряд. Кроме того, требуется дополнительный источник питания, что усложняет электрическую схему накачки.

Известно разрядное устройство лазера, патент US 6782030, в котором разрядные конденсаторы установлены вне потока газа вблизи одного электрода. Разрядный контур является низкоиндуктивным, но на режимах высокой частоты следования импульсов, поле, возникающее между электродом и токопроводами, расположенными вниз по потоку, в зоне отработанного, еще не нейтрализованного газа может приводить к пробоям между электродом и токопроводом.

Основной и дополнительный контуры расположены как со стороны входа потока рабочего газа в электродное устройство, так и со стороны выхода. То есть вблизи разрядного промежутка параллельно электродам установлены четыре малоиндуктивных, эквивалентных по параметрам разрядных контура. Такая конструкция позволяет без увеличения длины электродов и длительности разряда накачки, в оптимальном режиме вкладывать в разряд увеличенную до двух раз энергию и достигать максимальной удельной мощности энерговклада в объемный разряд.

Токопроводы основного и дополнительного контуров чередуются вдоль электродов. Чем равномернее вдоль электродов распределены токопроводы каждого контура, тем однороднее по длине электродов распределяется энергия в объемном разряде накачки. При этом достигается наименьшая конструктивная индуктивность контуров накачки и соответственно увеличивается удельная мощность энерговклада в разряд.

Расстояние между соседними обтекаемыми токопроводами дополнительного и основного контуров не превышает удвоенного расстояния между электродами. При превышении указанного соотношения, количество токопроводов уменьшается, индуктивность контуров увеличивается, что ведет к ухудшению однородности разряда и снижению удельной мощности энерговклада, а сопутствующий выигрыш по увеличению электрической прочности изолирующих промежутков не имеет практического значения.

Величины индуктивности и емкости дополнительного и основного разрядных контуров равны. Такой вариант исполнения позволяет выровнять импедансы разрядных контуров, синхронизировать время разряда конденсаторов и получить большую удельную мощность энерговклада при высокой эффективности передачи энергии, накопленной в конденсаторах, в разряд.

Хотя бы часть обтекаемых токопроводов покрыта слоем электроизолирующего материала. Это позволяет максимального сблизить токопроводы без возможности паразитного пробоя между ними. За счет увеличенного количества параллельных токопроводов индуктивность контуров снижается, соответственно уменьшая время разряда контуров на разрядный промежуток. При этом удельная мощность энерговклада возрастает.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание разрядного устройства импульсно-периодического газоразрядного ТЕ лазера с низкоиндуктивным разрядным контуром, позволяющего получить высокую удельную мощность импульса накачки и высокую частоту следования импульсов.

На фиг. 1. изображено поперечное сечение конструкции разрядного устройства импульсно-периодического ТЕ лазера с основным и дополнительным разрядными контурами, расположенными вверх по потоку газа.

На фиг. 2. изображен вид сбоку разрядного устройства.

На фиг. 3. изображено поперечное сечение конструкции разрядного устройства импульсно-периодического ТЕ лазера с четырьмя разрядными контурами.

На фиг. 1. и фиг. 2 электроды 1, 2 образуют разрядный промежуток а, направление потока газа в котором показано стрелками b. Последовательно соединенные электрод 1, несущий элемент 7, ряд конденсаторов 3, ряд обтекаемых токопроводов 5, электрод 2 и газовый межэлектродный промежуток а образуют основной разрядный контур. Последовательно соединенные электрод 1, ряд токопроводов 6, ряд конденсаторов 4, несущий элемент 8, заземленный электрод 2 и газовый межэлектродный промежуток а образуют дополнительный разрядный контур. Конденсаторы 3 и 4 установлены вблизи электродов, вне зоны прямого потока b, сформированного диэлектрическими стенками 9 из Al₂O₃ керамики, и соединены с источником питания (на фиг. не показан) через электропроводный несущий элемент 7 и шину 11. Емкости разрядных конденсаторов 3 и 4 равны. Индуктивность основного и дополнительного разрядного контура равны.

Токопроводы 5 и токопроводы 6 в виде тонких, установленных вдоль потока пластин имеют малое аэродинамическое сопротивление и чередуются между собой вдоль электродов. Пластины покрыты электроизолирующим слоем оксида алюминия толщиной около 0,1 мм. Как показано на фиг. 2, расстояние d между токопроводами основного контура 5 и дополнительного контура 6 больше расстояния h между электродами 1 и 2. Вдоль электродов 1, 2 установлены предыонизаторы 12. Диэлектрические стенки 10 образуют канал прямолинейного потока газа для выноса продуктов разряда из разрядного промежутка а. Конденсаторы 3, 4 химически инертны к компонентам рабочей газовой смеси.

Работа устройства описана для разрядного устройства накачки ТЕ лазера, расположенного в прокачной газоразрядной камере азотного, эксимерного или СО₂ лазера.

В газоразрядной камере сформирован поток газа по направлению, указанному стрелками b. При подаче напряжения от источника питания на металлический держатель 7 и шину 11, разрядные конденсаторы 3, 4 заряжаются. В это же время предыонизатор 12 ионизирует газ в разрядном промежутке. При достижении пробивного значения напряжения между электродами 1 и 2 в разрядном промежутке а возникает объемный разряд накачки. До последующего импульса отработанный в предыдущих импульсах газ сносится в диффузоре 10 на некоторое расстояние. При частотах следования импульсов более 10 кГц время между соседними импульсами составляет менее 10^-4 с. За это время газ не успевает полностью релаксировать, и к моменту подачи на электроды последующего импульса сносимые вниз по потоку отработанные объемы газа имеют повышенную проводимость. Отсутствие элементов схемы накачки в области не полностью нейтрализованного газа исключает паразитные конкурирующие пробои между высоковольтными и заземленными элементами, что позволяют значительно повышать частоту следования импульсов. При этом общая разрядная схема энергетически усилена за счет наличия соединенного параллельно с основным разрядным контуром дополнительного контура накачки. Такая конструкция разрядного устройства позволяет производить большую мощность энерговклада в единицу разрядного объема при частотах следования импульсов в десятки килогерц.

На фиг. 3. представлен вариант исполнения разрядного устройства, в котором вблизи электрода 21, закрепленного на держателе 31, и электрода 22, закрепленного на держателе 32, вне канала для прямого потока газа, установлены ряды конденсаторов 23, 24, 25, 26. Разрядное устройство расположено в герметичном газопрокачном контуре (не показано), заполненном газовой смесью F₂:Ar:He при давлении около 4×10⁵ Па. Разрядные электроды 21, 22, конденсаторы 24, токопроводы 27 образуют первый основной разрядный контур. Разрядные электроды 21, 22, конденсаторы 26, токопроводы 30 образуют второй основной разрядный контур. Разрядные электроды 21, 22, конденсаторы 23, токопроводы 28 формируют первый дополнительный разрядный контур. Разрядные электроды 21, 22, конденсаторы 25, токопроводы 29 формируют второй дополнительный разрядный контур. Устройство предыонизации разрядного промежутка а расположено под рабочей поверхностью частично прозрачного электрода 22. Токопроводы 28 и токопроводы 30 чередуются вдоль длинной стороны электродов. Токопроводы 27 и 29 чередуются аналогично. Все четыре контура имеют равные по величине индуктивности и емкости. Токопроводы 27, 28, 29, 30 выполнены из медного листа толщиной 0.7 мм, вне контактных поверхностей покрыты алюмооксидным слоем толщиной 0.1 мм и имеют обтекаемую форму. Шины 33, 34 позволяют устанавливать чередующиеся обтекаемые токопроводы 27, 28, 29, 30 независимо от шага установки конденсаторов.

Работа системы описана для электродного устройства эксимерного ArF лазера. При подаче высоковольтного импульса от источника питания на держатель 31 и шину 33, ряд конденсаторов 24 заряжается непосредственно, конденсаторы 23, 25, 26 заряжаются через токопроводы 27, 28, 29, 30. Во время нарастания напряжения на электродах, предыонизаторы производят ультрафиолетовое излучение, ионизирующее газ в разрядном промежутке а. При достижении между разрядными электродами 21, 22 напряжения пробоя U₀ между ними возникает объемный разряд накачки. При этом в рабочую газовую смесь вкладывается энергия , где С - суммарная емкость всех конденсаторов.

Получение самостоятельных разрядов в смесях благородных газов с галогенидами при относительно больших объемах плазмы наталкивается на проблемы контракции. Увеличение объема разрядной зоны влечет за собой увеличение габаритов конденсаторов и индуктивности электрической цепи. В свою очередь величины емкости С и индуктивности L контура накачки определяют минимальное время τ передачи энергии к плазме, т.е. минимальную необходимую длительность устойчивого горения разряда. С увеличением времени горения разряда на рабочей поверхности катода возникают локальные перегретые области с интенсивной эмиссией электронов. В объеме разряда образуются каналы с более высокой плотностью тока. Это ведет к снижению эффективности преобразования вкладываемой в разряд энергии в лазерное излучение и ограничивает максимальную частоту следования импульсов. (Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц, Физика импульсного пробоя газов. Москва, Наука, 1991 г.). Кроме того, из-за повышенной эрозии электродов сокращается срок службы электродов, газовой смеси, герметизирующих оптических окон лазера и диэлектрических изолирующих промежутков.

В предлагаемом по рис. 3 техническом решении, суммарная разрядная емкость С увеличена путем размещения дополнительных разрядных контуров таким образом, что длительность тока накачки не возрастает. При параллельном соединении четырех контуров с одинаковыми емкостями С₀ рядов конденсаторов 23, 24, 25, 26, суммарная емкость С эквивалентного контура равна С=4С₀. Величина суммарной индуктивности L при параллельном соединении одинаковых индуктивностей L₀ данных контуров равна L=1/4L₀. Таким образом, время импульса накачки τ=π√LC не увеличивается, хотя суммарная емкость увеличивается существенно. За счет равномерного распределения вдоль электродов конденсаторов и чередования токопроводов 29, 30 дополнительного контура с токопроводами 27, 28 основного контура накачки, энергия однородно распределяется по длине объема накачки, обеспечивая высокую эффективность накачки.

Наращивание энергии контура за счет введения малоиндуктивных дополнительных контуров снижает волновое сопротивление контура накачки ρ=√L/C. Это позволяет обеспечивать лучшее согласование волнового сопротивления контура накачки с сопротивлением R разряда накачки, т.е. ρ≈R. При этом энергия вкладывается в разряд с высокой эффективностью.

Используя предложенное решение, можно сокращать длину активного объема, увеличивая ширину разряда, и соответственно, минимизировать габариты электродной системы.

Таким образом, разрядный контур по рис 3. позволяет без увеличения напряжения питания, за короткое время, в режиме согласования вводить увеличенную энергию накачки и получить однородный объемный разряд накачки с вкладываемой мощностью до 10 МВт/см³. Одним из преимуществ большей вкладываемой удельной мощности предложенной конструкции является эффективная работа с использованием буферного газа гелия вместо неона. Из-за более низкой цены гелия снижаются эксплуатационные расходы.

Предлагаемое разрядное устройство обеспечивает высокую энергию импульса лазера на высокой частоте следования импульсов при высокой эффективности. Следует отметить, что техническое решение может работать при различных вариантах устройства предыонизации, например, на основе искрового или листового разряда. Электроды могут применяться плазменные. Конденсаторы могут иметь как цилиндрическую, так и прямоугольную форму и располагаться как внутри, так и вне разрядной камеры.

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядное устройство импульсно-периодического газоразрядного ТЕ лазера содержит пару протяженных электродов, разделенных зоной потока газа и образующих разрядный промежуток. Конденсаторы основного разрядного контура расположены вне зоны потока, вблизи первого электрода и соединены через зону потока обтекаемыми токопроводами со вторым электродом. Вне зоны потока вблизи второго электрода расположен хотя бы один конденсатор дополнительного разрядного контура, соединенный обтекаемым токопроводом с первым электродом. Причем расстояние между соседними токопроводами основного и дополнительного контуров превышает расстояние между электродами. Технический результат заключается в обеспечении возможности создания лазера с высокой энергией импульса, высокой частотой следования импульса и высоким КПД. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Разрядное устройство импульсно-периодического газоразрядного ТЕ лазера, содержащее пару протяженных электродов, разделенных зоной потока газа и образующих разрядный промежуток, конденсаторы основного разрядного контура, расположенные вне зоны потока вблизи первого электрода и соединенные через зону потока обтекаемыми токопроводами со вторым электродом, отличающееся тем, что вне зоны потока вблизи второго электрода расположен хотя бы один конденсатор дополнительного разрядного контура, соединенный обтекаемым токопроводом с первым электродом, причем расстояние между соседними токопроводами основного и дополнительного контуров превышает расстояние между электродами.

2. Разрядное устройство по п. 1, отличающееся тем, что основной и дополнительные контуры расположены со стороны входа потока рабочего газа в межэлектродный промежуток.

3. Разрядное устройство по п. 1, отличающееся тем, что основные и дополнительные контуры расположены как со стороны входа потока рабочего газа в межэлектродный промежуток, так и со стороны выхода.

4. Разрядное устройство по любому из пп. 2, 3, отличающееся тем, что токопроводы основного и дополнительного контуров чередуются между собой вдоль электродов.

5. Разрядное устройство по п. 4, отличающееся тем, что расстояние между соседними токопроводами основного и дополнительного контуров не превышает удвоенного расстояния между электродами.

6. Разрядное устройство по п. 5, отличающееся тем, что величины индуктивности и емкости основного и дополнительного разрядных контуров равны.

7. Разрядное устройство по п. 1, отличающееся тем, что хотя бы часть обтекаемых токопроводов покрыта слоем электроизолирующего материала.