СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАЗРЯДА В ГАЗОВОМ ЛАЗЕРЕ Российский патент 2024 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к области физики газового разряда и может быть использовано для организации газового разряда в экспериментальной физике, лазерной физике и физике плазмы.

Особенностью наработки электронно-возбужденных частиц в газоразрядной плазме лазера является наличие достаточно высоких значений приведенного электрического поля. Например, в лазере на инертных газах с оптической накачкой (далее - ЛОНИГ) используется активная среда в виде газоразрядной плазмы в смеси тяжелого инертного газа Rg (Ne, Ar, Kr, Хе) и гелия с концентрацией метастабильных атомов Rg* ~ 10¹³ см^-1. Для наработки метастабильных атомов может использоваться импульсно-периодический разряд. При этом форма импульса напряжения разряда влияет на концентрацию Rg* из-за того, что эффективная наработка Rg* происходит только при оптимальных значениях приведенного электрического поля, что обеспечивается при достижении напряжения разряда определенного значения.

Как правило, для организации разряда используются два электрода - катод и анод. В процессе разряда электроды нагреваются, причем, за счет сильного падения напряжения в катодном слое, катод нагревается значительно сильнее анода.

Нагрев катода - это нежелательное явление, поскольку он приводит к изменению электрических и механических характеристик электрода и, кроме того, к появлению градиента плотности газа за счет неоднородного нагрева и возникновению оптической неоднородности (т.н. «клина»), ухудшающей оптические характеристики лазерной среды.

При конструировании разрядных камер газовых лазеров принимают специальные меры для охлаждения электродов (в первую очередь, катода). Как правило, это водяное или воздушное охлаждение.

Известен способ организации разряда в газовом лазере, в котором разряд организуют в разрядной камере при помощи двух электродов, подключенных к источнику питания, на которые подают импульсы напряжения противоположной полярности (см. RU 2295810 С1, МПК H01S 3/041, опубл. 20.03.2007). В известном способе на каждый из электродов подают импульсы одной полярности, и в процессе работы лазера один из электродов всегда выполняет функцию анода, а другой - функцию катода.

Недостатком известного способа является сложность в реализации теплоотвода от катода, поскольку возникает необходимость подвода и отвода охлаждающей жидкости, что подразумевает установку дополнительных трубок и фитингов в разрядной камере лазера, а также организацию каналов в теле электрода.

Известен способ организации разряда в газовом лазере, в котором разряд организуют в разрядной камере при помощи двух электродов, подключенных к источнику питания, на которые попеременно подают импульсы напряжения противоположной полярности. В результате электроды изменяют свои функции на противоположные: анод становится катодом, а катод - анодом. После каждого импульса одной полярности на каждый из электродов подают импульс противоположной полярности при помощи двухполупериодного трансформатора, в котором на первичную обмотку последовательно подают импульсы напряжения противоположной полярности, а вторичную обмотку подключают к электроду (см. RU 2019139116 А, опубл. 31.05.2021).

Недостатком известного способа является неоптимальная форма импульсов напряжения, близкая к треугольной, получающаяся за счет использования трансформатора, что приводит к уменьшению эффективности наработки электронно-возбужденных частиц, в частности, метастабильных атомов Rg*. Это связано с тем, что наличие в схеме трансформатора индуктивности приводит к затягиванию переднего и заднего фронтов импульсов напряжения. При этом эффективная наработка электронно-возбужденных частиц происходит только при оптимальных значениях приведенного электрического поля, что обеспечивается при достижении напряжения разряда определенного значения.

Известный способ принят в качестве ближайшего аналога к заявленному способу.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в оптимизации способа организации разряда в газовом лазере.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности использования подводимой в разряд мощности для наработки нужных, в том числе, для ЛОНИГ, концентраций электронно-возбужденных частиц в плазме и улучшении оптических характеристик газовой лазерной среды за счет устранения оптического клина.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания способа организации разряда в газовом лазере, в котором разряд организуют в разрядной камере при помощи двух электродов, на которые попеременно подают импульсы напряжения противоположной полярности. Импульсы имеют прямоугольную форму, и после каждого импульса одной полярности на электроды подают импульс противоположной полярности при помощи двух электронных ключей, каждый из которых попеременно подключает источники питания противоположной полярности к электродам.

Предложенная схема подачи на электроды импульсов с крутыми фронтами и плоской вершиной и, соответственно, длительностью, существенно большей, чем время нарастания и спада, позволяет избежать большого количества затруднений, связанных с согласованием источника питания с разрядом, сопротивление которого меняется во времени.

Оптимальные значения приведенного электрического поля сохраняются в течение времени существования плоской вершины импульса. Благодаря этому, при одной и той же мощности, подводимой к разряду, наработка концентраций электронно-возбужденных частиц будет более эффективной. Кроме того, за счет периодической смены полярности питающих разряд импульсов напряжения и выравнивания вследствие этого температуры электродов (т.к. каждый электрод выполняет функцию подверженного большему нагреву катода одинаковое время), распределение плотности газа в разрядном промежутке становится симметричным по отношению к электродам, чем устраняется проблема оптического «клина», присущая традиционному способу организации газового разряда.

Заявленный способ реализуется в результате применения двух электронных ключей, формирующих импульсы противоположной полярности, подающиеся на электроды разрядной камеры. Электронные ключи могут быть выполнены твердотельными, например, на основе мощных полевых транзисторов. Современные транзисторы способны коммутировать напряжение в несколько киловольт, причем, для повышения величины допустимого коммутируемого напряжения, транзисторы можно соединять последовательно. Длительность фронтов импульса напряжения, подающегося с каждого из выходов электронных ключей на электрод разрядной камеры, не превышает 10-20 нс.

Изобретение относится к области физики газового разряда и может быть использовано для организации газового разряда в экспериментальной физике, лазерной физике и физике плазмы. Разряд в газовом лазере организуют в разрядной камере при помощи двух электродов, на которые попеременно подают импульсы напряжения противоположной полярности. Импульсы имеют прямоугольную форму. После каждого импульса одной полярности на электроды подают импульс противоположной полярности при помощи двух электронных ключей, каждый из которых попеременно подключает источники питания противоположной полярности к электродам. Технический результат - повышение эффективности использования подводимой в разряд мощности для наработки нужных, в том числе для ЛОНИГ, концентраций электронно-возбужденных частиц в плазме и улучшение оптических характеристик газовой лазерной среды за счет устранения оптического «клина».

Способ организации разряда в газовом лазере, в котором разряд организуют в разрядной камере при помощи двух электродов, на которые попеременно подают импульсы напряжения противоположной полярности, отличающийся тем, что импульсы имеют прямоугольную форму, и после каждого импульса одной полярности на электроды подают импульс противоположной полярности при помощи двух электронных ключей, каждый из которых попеременно подключает источники питания противоположной полярности к электродам.