Электроразрядный лазер Советский патент 1981 года по МПК H01S3/09 

(54) ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР

f

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться при создании высокоэффективных газовых лазеров с высоким уровнем мощности излучения.

Известен электроразрядный непрерывный лазер, способный функционировать с высокой эффективностью при значительном давлении активной среды 1.

Лазер состоит из газовой кюветы, резонатора, системы электродов для возбуждения разряда, источников питания и скоростной системы прокачки газа.

Недостатками его являются низкая скорость поступления энергии в активную среду и, следовательно, низкая мощность излучения, высокая амплитуд высоковольтных импульсов, необходимая для создания плазмы с нужной концентрацией электронов. Это сказывается отрицательно на работе тиратронов, использующихся в качестве коммутаторов тока. Известно, что с уменьшением напряжения комг 1утируемого импульса повышается надежность и долговечность тиратрона, возрастает средняя мощность, облегчаются изоляционные условия.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является электрооазрядный лазер, содержащий кювету с двумя профилированными электродами, один из которых заземпен, и установленным между ними промежуточным электродом, и систему предионизации, включающую импульсный источник питания 2 .

0

В известном лазере на катоде расположена система электродов предварительной ио.низации, отделенная от катода диэлектриком. Один газовый поток протекает в области катод-сет5ка, другой поток, имеющий собственную систему прокачки, протекает в области сетка-анод. Направление потоков и давление газов одинаково, вследствие этого газовые потоки прак0тически не перемешиваются. В промежутке гсатод-сетка протекает Не или какой-либо другой инертный газ. В промежутке сетка-анод протекает смесь газов, которая может состоять из CQ,

5 , Не.

Недостатками этого лазера являются низкий КПД и малая надежность,что является следствием применения для накачки газовой смеси импульсного

0 источника питания. В этом случае возСуждение рабочей смеси осуществляется самостоятельным разрядом и невозможна раздельная регулировка концентрации электронов и напряженности электрического поля Е, вследствие чего основная доля энергии вводится в рабочую смесь при Е значительно больших, чем требуется для оптимальной накачки колебательных уровней молекул углекислого газа и азота. Вследствие этого КПД лазера невысок 10-12%. Кроме того, импульсный источник питания подключен к сетке через ком лутатор .таким образом, что через него проходит основная доля энергии, затрачи-Баемая на накачку рабочей газовой смеси. Это уменьшает срок службы и наженость прибора.

Недостатками конструкции является также ее сложность, обусловленная необходимостью применения двух про- . качных систем: для инертных газов и для рабочей смеси газов, и низкая эффективность использования рабочего объема, обусловленная тем, что часть объема занята разрядом в инертном газе и не генерирует излучение.

Целью изобретения является увеличение КПД, повышение надежности, увеличение срока службы и упрощение конструкции.

Указанная цель дости-я.ется тем, что к профилированным электродам подключен источник постоянного напряжения, а импульсный источник питания подсоединен к профилированным электродам через два последовательно соединенных конденсатора, общая точка которых через коммутатор связана с промежуточным электродом, при этом промежуточный электрод установлен таким образом, что выполняется соотношение

а - d т где d. расстояние между заземленным профилированным и проме жуточным электродами; расстояние между вторым про филированным электродом и промежуточным электродами; расстояние между профилированными электродами; В ± (45-60) см.мм.рт.ст. фициент, учитывающий услови зажигания импульсного самостоятельного разряда в межэлектродных промежутках,А J: (4-18: см.мм.рт.ст. фициент, учитывающий оптимальные условия накачки. Знак ± учитывает направление вектора напряженности электрического поля. На фиг. 1 изображен предложенный лазер, продольное сечение} на фиг.2

то же, поперечное сече.ние; на фиг.З приведена блок-схема лазера.

Лазер состоит из электродов 1, 2 предварительной ионизации, потенциального профилированного электрода 3, промежуточного электрода 4, например, в виде сетки, профилированного электрода 5, находящегося под потенциалом земли; и резонатора, состоящего из зеркал б, 7, помещенных в разрядную камеру 8. К профилированным электродам 3, 5, выполненным по профилю Роговского, Брюса или Чанга, подключен стационарный источник 9 питания. Источник 10 импульсного, напряжения подключен к промежуточному

5 э электроду 4 и к профилированным электродам 3, 5.

Электроды 1 предварительной ионизации, например, в виде ряда острий, подключены к промежуточному электроду 4, а электроды 2, такого же типа, как электроды 1, подключены к профилированным электродам 3, 5 через конденсгаторы 11. Источник 9 постоянного напряжения выполнен в виде батареи 12 конденсаторов, заряженной цо напряжения U . Импульсное напряжение подается на профилированные электроды 3, 5 через конденсаторы 13, 14, заряженные до напряжения и, а на промежуточный электрод - через тиратрон 15. В цепь зарядов батареи 12 включено сопротивление 16,, а в цепь заряда конденсаторов 13, 14 включено сопротивление 17.

Место установления сетки электрода 4 выбирается из условия равенства электрического поля в объемах между электродами 3-4 и 4-5 при приложении к сетке высоковольтного импульса U , создающего плазму. Связь между прикладываемым напряжением, напряженностью поля и межэлектродным расстоянием очевидна г.- (± U-1 Uq-d и-|) где Е., ; 4-5 °э-4 4. - напряженности электрического поля и расстояния между электродами 3-4 и 4-5 соответственно. Лазер работает следующим образом. В исходном состоянии батарея 12 конденсаторов заряжена по цепи: сопротивление 16 - батарея 12 конденсаторов - земля, до напряжения U.-. Конденсаторы 13, 14 заряжены до напряжения и,2 противоположной полярности Их, по цепям: сопротивление 17 конденсатор 13 - батарея 12 конденсаторов - землр и сопротивление 17 - конденсатор 14 - земля. Поскольку С и Су4 S а U-,, то заряд q cr q . Конденсаторы 11 не заряже ны. После подачи импульса на сетку тиратрона 15, он открывается и напр жение и,2. передается на сетку и промежутки между электродами 2-1. На фронте этого импульса зажигается вспомогательный разряд в этих промежутках., произнодящий предй-аритзль ьую ионизацию в объемах между элект родами 3-4 и 4-5, и конденсаторы 11 заряжаются. При достижении пробивного напряж НИН в промежутке между электродами 3-4 (или 4-5), в нем возбуждается разряд. Поскольку сопротивление пла мы разряда накачки много больше сопротивления тиратрона, то на промежуток между электродами .4-5 (3-4), в котором еще не зажегся разряд, де ствует напряжение U, электроны и ф тоны разряда, приходящие из промежутка между электродами 3-4 (4-5). В результате этого в невозбужденном промежутке зажигается разряд с запаздыванием по отношению к предьвдущему не выше 10 не. Конденсаторы 13, 14 и 11 разряжаются через сопротивления плазмы в промежутках между электродами 3-4 и 5 до О, в промежутках создается плаз ма с заданной концентрацией электронов. После этого вследствие воздействия на промежуток между электродами 3-4 напряжения (-U) потенциал сетки 4 меняет знак на обратный и ти ратрон 15 закрывается. Плазма сопротивлением созданная на стадии самостоятельного разряда, проводит ток, которы.м производится накачка рабочей среды лазера. Поскольку при оптимальном с точки зрения накачки лазера напряжении U , воздействующим на плазму, ионизация среды не воспол няет убыль заряженных частиц вследствие рекомбинации, ток уменьшается Поддержание разряда непрерывным восполнением зарядоносителей осуществля ется с помощью импульсного напряжения и, подаваемого на сетку 4 после очередного включения тиратрона 15, который возбуждает самостоятельный разряд. При достижении пороговых эне говкладов ОКГ начинает генерировать когерентное излучение. Частота следо вания импульсов определяется задавае 1увым средним уровнем мощности рязряда давлением и сортом газа. Эту частоту легко подобрать из условия: интенсив ность когерентного излучения (коэффи циент усиления активной среды)не должен уменьшаться ниже заданной величины. Например, при давлении CO.,j : Не 1:2:3 100 тор и изменени интенсивности излучения не более, че на 30%, частота следования импульсов составляет 10 кГц, Предложенный лазер обладает более высоким КПД, поскольку накачка рабочей смеси осуществляется при оптимальной напряженности электрического поля. Это достигается тем, что с помощью импульсного самостоятельного разряда, на возбужцение которого затрачивается незначительная энергия, задается необходимая начальная концентрация электронов, а основная энергия вводится на стадии несамостоятельного разряда, энергия на поддержание которого в оптимальных условиях поступает от источника постоянного напряжения. Большая надежность и срок службы устройства обеспечивается тем, что коммутирующий элемент установлен только в цепи маломощного самостоятельного разряда, а напряженке зажигания самостоятельного разряда в два раза ниже, поскольку напряжение подается на вспомогательный электрод, являющийся общим для обоих межэлектродных промежутковл Упрощение конструкции достигается путем пр1 менения единой системы прокачки газа, общей для обоих межэлектродных промежутков, Формула изобретения Электроразрядный лазер, содержащий кювету с двумя профилированными электродами, одйн из которых заземлен, и установленным между ними промежуточным электродом, систеглу предионизации, включающую импульсный источник питания, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД, повьацения надежности и увеличения срока службы,к профилированным электро-: дам подкгеочен источник постоянного напряжения, а импульсный источник питания подсоединен к профилированным электродам через два последовательно соединенных конденсатора, общая точка которых через комму,татор связана с промежуточным электродом, при этом промежуточный электрод установлен таким образом, что выполняет-, ся соотношение d, - d ± 4 h где д - расстояние между заземленным проф 1лированным и промежуточным электродами; d - расстояние между вторым профилированным и промежуточным электродами; h - расстояние между профилированными электродами) В А t (4-18), коэфсм,мм,рт,ст, фициент учитывающий оптимальные условия накачки/ , В + (45-60) , коэфО т ,4J ои; СМ,КМ,РТ,СТ, фициент, учитывающий условия зажигания импульсного самостоятельного разряда в межэлектродных промежутках.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Appl ied. Physics , 1972, v. 43, № 8, p. 3411.

2, Патент США № 3842366, кл, 331-94.5, опублик. 1974 (прототип ) ,