СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРЕ С ЗАМКНУТЫМ КОНТУРОМ НА РАБОЧЕЙ СМЕСИ ИЗ CO,N и He Советский патент 1995 года по МПК H01S3/36 

Изобретение относится к квантовой электронике, и может быть использовано для повышения эффективности работы СО₂-лазера.

Цель изобретения - повышение КПД при перестройке частоты повторения импульсов путем уменьшения мощности излучения от частоты возбуждения разряда.

На фиг.1 приведена зависимость средней мощности излучения лазера от частоты возбуждения разряда (частоты повторения импульсов) при отсутствии прокачки (кривая 1), при прокачке со скоростью v=1 м/с (кривая 2), при прокачке со скоростью v=0,1 м/с (кривая 3); на фиг.2 - конструкция лазера.

Лазер содержит разрядную трубку 4, электроды 5, оболочку 6 разрядной трубки, обводной канал 7, насос 8 в обводном канале, источник 9 импульсного напряжения лазера.

Предложенный способ заключается в следующем. Одновременно с включением лазера включается насос, прокачивающий газовую смесь лазера со скоростью
v≥ где C_o=
n - номер типа колебаний стоячей звуковой волны, возбуждающейся в разрядной трубке стоячей звуковой волны, соответствующий наиболее высокой из диапазона перестройки частоте звукового резонанса;
D - коэффициент взаимной диффузии СО₂ и Не;
L - длина газоразрядной трубки;
Δ С - допустимое для Не отклонение концентрации;
k₁ и k₂ - отношения парциальных давлений СО₂ и N₂ соответственно к парциальному давлению Не.

При движении газовой смеси вдоль разрядной трубки со скоростью v изменение парциального состава смеси в любом объеме пространства трубки не выходит за пределы допустимого, так что мощность излучения при перестройке частоты повторения импульсов практически не меняется.

Изменение состава газовой смеси обусловлено следующими физическими процессами, происходящими в разрядной трубке при импульсном возбуждении разряда.

Известно, что газоразрядная трубка СО₂-лазера, как и любой сосуд конечных размеров, представляет собой акустический резонатор, в котором на определенных звуковых частотах возникают интенсивные колебания частиц газа, составляющих лазерную смесь.

Источником колебаний (упругих волн) в газоразрядной трубке служит импульсный разряд, периодически меняющий величину давления газа между электродами. При совпадении частоты возбуждения разряда с резонансной в трубке возникает стоячая волна, т.е. появляется поле давлений. Как показали проведенные эксперименты, в пучности давлений скапливаются малоинерционные молекулы, обладающие меньшей массой (молекулы Не), в узлах - молекулы с большей массой (СО₂ и N₂). Разделение газа в пространстве трубки по компонентам вызывает обратный эффект - концентрационную диффузию, стремящуюся восстановить первоначальное равномерное распределение состава смеси.

Со временем в среде наступает равновесие с определенным распределением компонентов смеси вдоль оси трубки, зависящим от молекулярных весов компонентов, парциального состава смеси, частоты и добротности акустического резонанса, амплитуды импульса электрического напряжения.

В результате парциальный состав смеси вдоль оси газоразрядной трубки настолько меняется, что вызывает значительно изменение параметров лазерной среды, приводящее к падению мощности излучения вплоть до нуля.

Установление градиентов температур и концентрационные изменения, связанные с этими градиентами, во внимание можно не принимать, поскольку бародиффузионный процесс, протекающий под влиянием резонансного поля давлений, во много раз активней.

Расчеты, сделанные с такими предположениями, подтверждаются экспериментально.

Таким образом, эффект повышения мощности излучения путем использования импульсного возбуждения превращается при резонансных частотах возбуждения в свою противоположность - снижение мощности и даже срыв генерации, вызванное самим же импульсным разрядом.

Уменьшить влияние описанного выше бародиффузионного эффекта можно путем создания конструкции лазера с согласованными по волновому сопротивлению концами газоразрядной трубки. Однако габариты лазера при этом существенно бы увеличились. Предлагается другой путь, основанный на использовании свойств самого эффекта, а именно изменении парциального состава смеси вдоль оси трубки и малой величине скорости диффузии, а следовательно, и скорости разделения компонентов, а также слабой зависимости мощности излучения от изменения парциального состава смеси вблизи оптимального значения.

При наличии этих свойств перемещение газовой смеси вдоль оси газоразрядной трубки равносильно перемешиванию смеси и установлению таких отклонений парциального состава, при которых мощность излучения при возбуждении газа на резонансной частоте почти не меняется.

Минимальная скорость перемещения газовой смеси вдоль разрядной трубки (скорость прокачки) должна превышать скорость бародиффузионного разделения смеси, происходящего в условиях импульсного разряда. Неравномерность парциального состава смеси по достижении минимальной скорости прокачки снижается до уровня, при котором не происходит заметного уменьшения выходной мощности.

Сущность изобретения: в лазере на рабочей CO₂, N₂ прокачивают рабочую смесь вдоль разрядной трубки с определенной скоростью. При этом изменение парциального состава смеси в любом объеме пространства трубки не выходит за пределы допустимого. Таким образом мощность излучения при перестройке частоты повторения импульсов практически не меняется. 2 ил.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРЕ С ЗАМКНУТЫМ КОНТУРОМ НА РАБОЧЕЙ СМЕСИ ИЗ CO*002, N*002 И HE, включающий прокачку рабочей смеси вдоль разрядной трубки и подачу на электроды разрядной трубки импульсного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД при перестройке частоты повторения импульсов за счет уменьшения зависимости мощности излучения от частоты возбуждения разряда, рабочую смесь прокачивают вдоль разрядной трубки со скоростью V, удовлетворяющей условию:
,

где n - номер типа колебаний возбуждающейся в разрядной трубке стоячей звуковой волны, соответствующий наиболее высокой из диапазона перестройки частоте звукового резонанса;
L - длина разрядной трубки;
D - коэффициент взаимной диффузии CO₂ и He;
ΔC - допустимое для He отклонение концентрации;
K₁ и K₂ - отношения парциальных давлений CO₂ и N₂ соответственно к парциальному давлению He.