Газовый лазер с ВЧ-возбуждением Советский патент 1991 года по МПК H01S3/975 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании технологических газовых лазеров.

Цель изобретения - увеличение мощности и улучшение пространственных характеристик излучения, упрощение технологии изготовления и повышение надежности работы лазера.

На фиг. 1 -10 изображены электродно- волноводные системы газового лазера, поперечное сечение (оптическая ось резонатора перпендикулярна плоскости чертежа)

Лазер содержит профилированные металлические электроды 1 и 2, на рабочие поверхности которых нанесено неметаллическое покрытие 3. Минимальное расстояние между электродами d выбирается из соотношения

d,,

где di Ci/p ; C| - константа, определяемая родом рабочего газа;

/ - частота ВЧ-источника питания;

di Cz/ P Cz - константа, определяемая родом рабочего газа, материалом покрытия электродов и частотой ВЧ-источника питания;

Р -давление рабочего газа.

С обоих торцов электродно-волноводной системы установлены зеркала 4 оптического резонатора. Штриховыми линиями на фиг. 1 -10 выделены межэлектродные объемы двух соседних друг с другом волноводов. Объем 5 на фиг. 1-6 является общей, пересекающейся частью двух волноводов 6 и 7, тогда как объем 8 на фиг. 7-10 является только пограничным для соседних волноводов 9 и 10. На фиг. 9 показано подключение электродов к ВЧ-источнику 11 питания и системе 12 охлаждения (например, водопроводная сеть), изображены стенки разрядной камеры 13

Лазер, например СО2-лазер, работает следующим образом.

После включения протока хладагента через электроды, заполнения разрядной камеры смесью СО2: N2 He 1:1:3 при давлении 20 Тор, подачи ВЧ-напряжения частотой 81 МГц на электроды 1 и 2 с обеспечением

О

Јь -U

to

о со

слаботочного режима горения разряда и юстировки зеркал 4 оптического резонатора возникает лазерная генерация. Длина оптического резонатора и все характерные размеры электродно-волноводного профиля определяются условием волноводности распространения лазерного излучения в резона- торном объеме и выбираются на практике эмпирически при оптимизации лазера с точки зрения фазовой синхронизации излучения из волноводов. Взаимное расположение электродов таково, чтобы минимальное расстояние между ними удовлетворяло указанному выше неравенству.

Предельные значения d и di имеют сленый для накачки СО2-лазера с диффузионным охлаждением в щелевом зазоре. Увеличенная за счет профилирования поверхность электродов повышает (в 1,4 раза для ва- j- рианта, представленного на фиг. 1, и в 2 раза для варианта, представленного на фиг. 5) мощность выходного излучения по сравнению с лазерами с плоскими электродами.

Разбиение щелевого межэлектродного Ю объема с помощью профилирования электродов на сообщающиеся волноводы и нанесение на электроды неметаллического покрытия с низкими волноводными потерями обеспечивают высокий электрооптический

дующий физический смысл: d - толщина 15 КПД лазера, простую настройку резонатора приэлектродных слоев пространственного заряда, в которых лавинным размножением вторично-эмиссионных электронов можно пренебречь, т. е. слои обладают чисто емкостной проводимостью (с точностью до ионных токов насыщения); - предельная длина плазменного столба, при превышении которой минимальное напряжение в емкостных приэлектродных слоях пространственного заряда становится больше напряжения пробоя емкостных слоев с участием вторично-эмиссионных процессов. Для указанных разрядных условий ,6-106 см-Гц, С2- см-Тор и ,02 CM, ,5 см.

Опытным путем установлено, что оптимальными размерами в данных условиях являются: величина межэлектродного зазора ±±4 мм, поперечное сечение волновода (4X4-10) мм2 и длина волновода 46 см. В общем случае значения констант С и С2 находят эмпирически по следующей методике. Фиксируют величину межэлектродного

и стабильную во времени лазерную генерацию, сфазированный режим генерации во всех волноводах. Высокая степень когерентности излучения обусловлена тем, что обеспечивающие фазировку пограничные облас20 ти волноводов принимают участие в лазер ной генерации и являются своеобразными синхронизирующими и задающими генераторами. Выполнение электродов профилированными позволяет увеличить поверхность

- электродов и тем самым увеличить энергосъем лазерного излучения с единицы длины резонатора, а также обеспечивает волно- водный и сфазированный режим генерации, что повышает степень когерентности и уменьшает расходимость лазерного излучения.

30

Получение в лазере слаботочного режима горения ВЧ-разряда позволяет заполнить весь межэлектродный объем внутри волноводов (за исключением тонких приэлектродных слоев пространственного заряда, обесзазора d и при разных значениях Р иссле- OR печивающих устойчивость разряда) плазмой дуемой смеси газов измеряют минимальное

значение ВЧ-напряжения на электродах U«т (Р), при котором еще может стационарно существовать слаботочная форма ВЧ- разряда. Затем повышают напряжение на

с необходимыми лазерными характеристиками. Кроме того, в лазере достигается высокий (по энерговкладу) порог перехода разряда в сильноточный режим и срыва лазерной генерации. Отсутствие в разрядном

электродах до величины Unef (Р), при кото- 40 объеме диэлектрических элементов сложной

ром происходит срыв слаботочного ВЧ-разряда в сильноточный режим горения. Измеряют 1/„ер (Р). С ростом Р 7МИ„ (Р) f/nep (Р). Значение Р, при котором (. X (P) UUff(P), является критическим для данного d. Изменяя межэлектродный зазор d и повторяя описанные измерения для каждого d, получают зависимость (d), из которой находится Cz- Аналогично определяется С|.

конфигурации упрощает конструкцию, что повышает технологичность изготовления и надежность эксплуатации лазера.

Формула изобретения

Газовый лазер с ВЧ-возбуждением, содержащий размещенные в рабочей камере металлические электроды, подключенные к ВЧ-источнику питания, и оптический резо- 5Q натор, полость которого образована регулярным набором одинаковых сообщающихся волноводов, установленных вдоль оптической оси резонатора, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности и улучшения пространственных характеристик излучения,

Эффективное охлаждение активной среды обеспечивается как ребристой поверхностью охлаждаемого электрода, так и небольшой толщиной газового промежутка. Небольшой межэлектродный зазор, высокая

Газовый лазер с ВЧ-возбуждением, содержащий размещенные в рабочей камере металлические электроды, подключенные к ВЧ-источнику питания, и оптический резо- 5Q натор, полость которого образована регулярным набором одинаковых сообщающихся волноводов, установленных вдоль оптической оси резонатора, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности и улучшения пространственных характеристик излучения,

частота возбуждения и электродное покры- 55 упрощения технологии изготовления и повытие с малым эффективным коэффициентом вторичной эмиссии обеспечивают слаботочный режим ВЧ-разряда, единственно пригодшения надежности работы лазера, электроды выполнены профилированными и расположены так, что волноводы образованы проный для накачки СО2-лазера с диффузионным охлаждением в щелевом зазоре. Увеличенная за счет профилирования поверхность электродов повышает (в 1,4 раза для ва- рианта, представленного на фиг. 1, и в 2 раза для варианта, представленного на фиг. 5) мощность выходного излучения по сравнению с лазерами с плоскими электродами.

Разбиение щелевого межэлектродного объема с помощью профилирования электродов на сообщающиеся волноводы и нанесение на электроды неметаллического покрытия с низкими волноводными потерями обеспечивают высокий электрооптический

КПД лазера, простую настройку резонатора

КПД лазера, простую настройку резонатора

и стабильную во времени лазерную генерацию, сфазированный режим генерации во всех волноводах. Высокая степень когерентности излучения обусловлена тем, что обеспечивающие фазировку пограничные области волноводов принимают участие в лазер ной генерации и являются своеобразными синхронизирующими и задающими генераторами. Выполнение электродов профилированными позволяет увеличить поверхность

электродов и тем самым увеличить энергосъем лазерного излучения с единицы длины резонатора, а также обеспечивает волно- водный и сфазированный режим генерации, что повышает степень когерентности и уменьшает расходимость лазерного излучения.

Получение в лазере слаботочного режима горения ВЧ-разряда позволяет заполнить весь межэлектродный объем внутри волноводов (за исключением тонких приэлектродных слоев пространственного заряда, обеспечивающих устойчивость разряда) плазмой

с необходимыми лазерными характеристиками. Кроме того, в лазере достигается высокий (по энерговкладу) порог перехода разряда в сильноточный режим и срыва лазерной генерации. Отсутствие в разрядном

объеме диэлектрических элементов сложной

объеме диэлектрических элементов сложной

конфигурации упрощает конструкцию, что повышает технологичность изготовления и надежность эксплуатации лазера.

Формула изобретения

Газовый лазер с ВЧ-возбуждением, содержащий размещенные в рабочей камере металлические электроды, подключенные к ВЧ-источнику питания, и оптический резо- Q натор, полость которого образована регулярным набором одинаковых сообщающихся волноводов, установленных вдоль оптической оси резонатора, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности и улучшения пространственных характеристик излучения,

шения надежности работы лазера, электроды выполнены профилированными и расположены так, что волноводы образованы профилированными рабочими поверхностями электродов, при этом на рабочую поверхность электродов нанесено неметаллическое покрытие, обладающее меньшим, чем материал электродов, эффективным коэффициентом вторичной эмиссии, а минимальное расстояние между электродами d удовлетворяет следующему соотношению:

d,,

е4, Јl; С,

/ j Сг. г , C2

р

константа, определяемая родом рабочего газа; частота ВЧ-источника питания;

константа, определяемая родом рабочего газа, материалом покрытия электродов и частотой ВЧ-источника питания; давление рабочего газа.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании технологических газовых лазеров. Целью изобретения является увеличение мощности и улучшение пространственных характеристик излучения, упрощение технологии изготовления и повышение надежности работы лазера. В лазере с ВЧ- возбуждением электроды выполнены профилированными и образуют волноводы, ограничивающие полость оптического резонатора. На рабочую поверхность электродов нанесено неметаллическое покрытие с низкими волноводными потерями, обладающее меньшим, чем материал электродов, эффективным коэффициентом вторичной эмиссии. Изобретение обеспечивает сфазированный режим генерации во всех волноводах. 10 ил

Фиг.1

5 6 7

г

Фие.З

5 6

У/УХ/Л//Л

|

/.

Фиг. 5

Фиг.1

о 67

У

Фиг. 4

/

5

Фие.6

V.

9

Г

Фиг. 7

Фие.9

фиг. JO

Ч

Фиг.8