ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ КОМБИНИРОВАННЫМ РАЗРЯДОМ Советский патент 1994 года по МПК H01S3/977 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке мощных источников светового излучения для технологии.

Известно устройство, состоящее из разрядной камеры с активной средой, в которую помещены электроды основного разряда, газового контура. Помимо компрессора газовый контур включает теплообменник. Для повышения выходной мощности, снижения габаритов установки и ее веса используют несамостоятельный разряд, который позволяет значительно повысить рабочее давление активной среды и, соответственно, увеличить мощность излучения лазера.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является газоразрядный лазер с конвективным охлаждением рабочей смеси УЛГ-2.01, в котором для накачки используется комбинированный разряд, являющийся разновидностью несамостоятельного разряда. Высоковольтный емкостный разряд используется для ионизации газа, а разряд постоянного тока -для накачки лазера. Лазер состоит из газового контура, соединенного с разрядной камерой с оптическим резонатором. Разрядная камера ограничена сверху и снизу электродами ионизации, а с боков стеклотекстолитовыми стенками с отверстиями для вывода излучения и для электродов ионизации. Электроды ионизации размещены в разрядной камере и изолированы от активной среды твердым диэлектриком. Примечательно, что разделенные относительно длинными паузами высоковольтные импульсы поддерживают проводимость на высоком уровне при гораздо меньшей средней мощности, чем например, ВЧ-разряд.

При длительной работе в газовом контуре накапливаются продукты разложения материала изоляции электрода ионизации. Это приводит к сокращению ресурса работы лазера. Прилипание электронов к молекулам электроотрицательных примесей, образовавшихся в активной среде при разрушении материала электрода, уменьшает концентрацию заряженных частиц, а следовательно, энерговклад и мощность излучения лазера.

Целью изобретения является повышение выходной мощности и срока службы лазера.

Это достигается тем, что в устройстве, содержащем газовый контур, заполненный рабочей средой, включающий разрядную камеру, внутри которой установлены электроды основного разряда и электроды ионизации, один из которых размещен в окне, выполненном в стенке газового контура, оптический резонатор, источник постоянного напряжения, подключенный к электродам основного разряда, и генератор периодических импульсов, подключенный к электродам ионизации, на сторону каждого из электродов ионизации, обращенную к рабочей среде, нанесено диэлектрическое покрытие из эмали, а на противоположной стороне электрода ионизации установлен блок охлаждения, снабженный кожухом, полость которого заполнена диэлектрическим материалом, при этом между электродами ионизации и стенками разрядной камеры размещены диэлектрические пластины, а между диэлектрическими пластинами и блоком охлаждения установлены уплотнения, выполненные из резины.

В качестве материала, из которого изготавливают диэлектрические пластины используется микалекс.

В предлагаемой конструкции внешняя сторона электрода не покрывается диэлектрическим покрытием, а помещена в диэлектрический материал, который заполняет полость кожуха, обладающий высокой электрической прочностью, хорошо заполняющий элементы конструкции, с которых может развиваться электрический разряд. Такими материалами могут быть сжатый воздух (наиболее простое и дешевое техническое решение), элегаз, трансформаторное масло и т.п. Тем самым устраняются потери электрического тока и мощности генератора периодических импульсов в электрическом разряде с внешней стороны электрода ионизации.

Вакуумное уплотнение, выполненное из резины, защищает активную среду от попадания в нее диэлектрического материала и обеспечивает электрическую изоляцию между внутренней поверхностью электрода ионизации и активной средой. При сборке разрядной камеры вакуумная резина выдавливается прижимной пластиной. Причем под действием тепла, выделяющегося на электрод, резина полимеризуется, что приводит к образованию слоя диэлектрика с хорошими вакуумными и диэлектрическими свойствами. Поскольку емкостный разряд может гореть с одной (рабочей) стороны электрода, то вся мощность генератора затрачивается на ионизацию активной среды и при той же величине мощности генератора периодических импульсов удается получить большую концентрацию электронов в разряде, следовательно, увеличить вкладываемую мощность и мощность излучения. Кроме того, увеличивается срок службы лазера, поскольку в технологии изготовления электродного узла не используется клей, который содержит электроотрицательные примеси, попадание которых в активную среду ухудшает ее характеристики и снижает ресурс работы лазера.

В качестве диэлектрического покрытия в предлагаемой конструкции используется эмаль, свойства которой позволяют получить хорошее покрытие электродов ионизации с одной стороны. Эмаль является более технологичным материалом, чем кварцевое стекло (прототип). Эмалевое покрытие можно наносить без появления пузырьков на электроды больших размеров по относительно простой технологии без использования клеящих материалов, содержащих органические вещества.

В качестве материала для облицовки поверхности разрядной камеры непосредственно вблизи электрода ионизации в предлагаемой конструкции используются диэлектрические пластины из микалекса, обладающие высокой нагревостойкостью и дугостойкостью.

Использование одностороннего покрытия сделало возможным применение блока охлаждения для принудительного охлаждения электрода ионизации. Это облегчило тепловой режим конструкции, снизило вероятность разрушения диэлектрического покрытия электродов ионизации и, следовательно, увеличило срок службы лазера. Таким образом, использование предложенной конструкции позволяет повысить плотность электронов в разряде, увеличить вкладываемую в комбинированный разряд мощность и мощность излучения лазера, срок службы лазера.

Покрытие из эмали в качестве электрической изоляции в емкостном разряде ранее не использовалась. Кроме того, покрытие только внутренней поверхности электрода ионизации позволило использовать блок охлаждения в предлагаемой конструкции. Вакуумные уплотнения выполняют в данной конструкции функцию электрической изоляции между внутренней и внешней стороной, что ранее было не известно.

На фиг. 1 приведена блок-схема технологического лазера с накачкой комбинированным разрядом; на фиг.2 - фрагмент конструкции электродного узла.

Устройство содержит разрядную камеру 1 с активной средой, электроды 2 основного разряда, электроды 3 ионизации, диэлектрик 4, газовый контур 5, резонатор, источник 6 постоянного напряжения, генератор 7 периодических импульсов, блок 8 охлаждения электрода, кожух 9, диэлектрические пластины 10, вакуумное уплотнение 11, прижимную пластину 12, прижимные винты 13, диэлектрический материал 14, причем кожух изолирован от атмосферы уплотнением 15, оптический резонатор 16.

Устройство работает следующим образом. С помощью газового контура 5 в разрядной камере 1 осуществляется прокачка активной среды лазера. Емкостный разряд, инициирующийся при подаче на электроды 3 ионизации высоковольтных импульсов от генератора 7 периодических импульсов поддерживает проводимость активной среды. Основной разряд, который горит между электродами 2 основного разряда и питается от источника 6 постоянного напряжения, осуществляет накачку активной среды. Оптическое излучение выводится с помощью резонатора 16. Блок 8 охлаждения электрода используется для отвода избыточного тепла с электродов ионизации. С помощью прижимных винтов 13 прижимная пластина 12 выдавливает резиновое уплотнение 11, что обеспечивает хорошую изоляцию электродов ионизации и герметичность разрядной камеры 1. Кожух 9 предохраняет попадание атмосферного воздуха в электродный узел. Полость кожуха заполнена диэлектрическим материалом, который обеспечивает высокую электрическую прочность элементов конструкции электронного узла и предотвращает возникновения емкостного разряда.

Пример реализации устройства. В качестве источника 6 использовали источник постоянного напряжения с номинальным напряжением 18 кВ, генератор периодических импульсов выполнен на тиратроне типа ТГИ 2000/35, в качестве газового контура использовали контур установки "ЛАТУС-31", который обеспечивал прокачку смеси из углекислого газа, азота и гелия через разрядную камеру при давлении 50 Торр со скоростью 60-70 м/с. Лазер работал в частотно-импульсном режиме. Средняя мощность генератора периодических импульсов 500Вт, частота повторения пачек импульсов 100 Гц, частота импульсов ионизации в пачке 20 кГц, длительность импульсов генератора периодических импульсов 0,1 мкс. Одно из зеркал резонатора глухое, с коэффициентом отражения 0,98, другое полупрозрачное с коэффициентом отражения 0,5. Диэлектрические пластины выполнены из микалекса пластинчатого высокочастотного. При этих условиях средняя мощность излучения составила 3 кВт при КПД 0,15, что вдвое больше, чем в прототипе. Эксперименты с предлагаемой конструкцией разрядной камеры показали, что для того чтобы обеспечить длительную работу лазера без уменьшения выходной мощности смесь должна обновляться через 15 мин. С разрядной камерой, где электродный узел, изготовлен с использованием кварцевого стекла, требовалось более быстрое обновление смеси - в среднем через 10 мин.

Значительно увеличился срок службы технологического лазера. Суммарное время работы электродного узла, который определяет ресурс лазера, составило около 2000 ч, что более чем на порядок превышает срок службы электродного узла из кварцевого стекла.

Из изложенного следует, что за счет использования электрода ионизации с односторонним диэлектрическим покрытием из эмали и его охлаждения увеличилась в 2 раза выходная мощность излучения лазера и его срок службы.

Сущность изобретения: лазер содержит разрядную камеру 1, внутри которой установлены электроды основного разряда 2 и электроды ионизации 3, изолированные от рабочей среды диэлектриком 4. На внешней стороне электродов ионизации установлен блок охлаждения 8, помещенный в кожух 9 с полостью, заполненной диэлектрическим материалом. Между стенками разрядной камеры и электродами ионизации размещены диэлектрические пластины 10, а между блоком охлаждения и пластинами расположены вакуумные уплотнения 11, выполненные из резины. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ КОМБИНИРОВАННЫМ РАЗРЯДОМ, содержащий газовый контур, заполненный рабочей средой, включающий разрядную камеру, внутри которой установлены электроды основного разряда и электроды ионизации, один из которых размещен в окне, выполненном в стенке газового контура, оптический резонатор, источник постоянного напряжения, подключенный к электродам основного разряда, и генератор периодических импульсов, подключенный к электродам ионизации, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности излучения и увеличения ресурса работы, на сторону каждого из электродов ионизации, обращенную к рабочей среде, нанесено диэлектрическое покрытие из эмали, а на противоположной стороне электрода ионизации установлен блок охлаждения, снабженный кожухом, полость которого заполнена диэлектрическим материалом, при этом между электродами ионизации и стенками разрядной камеры размещены диэлектрические пластины, а между диэлектрическими пластинами и блоком охлаждения установлены уплотнения, выполненные из резины. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрические пластины выполнены из микалекса.