Газоразрядный импульсный проточный лазер Советский патент 1985 года по МПК H01S3/22 

2. Лазер по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью увеличения мощности путем увеличения частоты следования электрических разрядов, диэлектрическая стенка

выполнена в виде поршня дополнитель нрго кривошипно-шатунного механизма, снабженного маховым колесом, при этом оба кривошипно-шатунных механизма механически связаны между собой.

1 . ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ I ПРОТОЧНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий устрой- .c'fBo для прокачивания рабочей 'смеси по замкнутому контуру, разрядную камеру, отличающийся' тем, что, с целью повышения КПД, !увеличения удельного энерговклада и уменьшения габаритов, устройство для прокачивания рабочей смеси выполнено в виде размещенного в разрядной камере поршня из диэлектрического материала, снабженного обратным клапаном и соединенного с маховым колесим посредством кривош»"пно-шатунного механизма, а на входе в разрядную камеру установлена диэлектрическая ;стенка, снабженная обратным калапа- 'ном.(Л

Изобретение относится к области , квантовой.электроники и может быть использовано при проектировании электроразрядньгх газовых лазеров. Известен газовый проточный лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме l, в котором инверсная заселенность создается при возбуждении импульсного разряда в потоке газа. При этом направление движения потока газа совпадает с направлением лазер ной оси, вдоль которой электродная систему имеет наибольшую длину. Такое йаправлениё потока газа ограничивает частоту следования импульсов лазера, так как необходимо, чтобы за время , Между импульсами сменился весь объем газа в разрядных промежутках элект родной системы. Этот недостаток устранен в известном лазере Сз, где разряд возбуждается в направлении, перпендикулярном направлению движения газа и оптической оси лазера. Лазер содержит замкну тый газовый тракт с электродами, теплообменником и средством для прокачки . Существенным недостатком известных устройств является их низкий КПД, в связи с наличием энергетически мощньк агрегатов для прокачивания газовой среды по контуру. При этом, с увеличением частоты да1пульсов необходимая степень сжатия и расход газа увеличиваются. В результате -этого удельные затраты энергии на прокачивание газовой среды сильно возрастают, что также приводит к снижению полного КПД.. / Целью изобретения является повышение КЦД, увеличение удельного энерговклада и уменьшение габаритбй. Эта цель достигается тем, что устройство для прокачивания рабочей смеси по замкнутому контуру выполнен в виде размещенного в разрядной камере поршня из диэлектрического материала, снабженного обратным клапаном и соединенного с маховым колесом посредством кривошипно-шатунного механизма, а на входе в разрядную камеру установлена диэлектрическая стенка, снабженная обратным, клапаном. В таком лазере с целью увеличения мощности путем увеличения частоты следования электрических разрядов, диэлектрическая стенка выполнена в виде поршня дополнительного кривошипно-шатунного механизма, снабженного маховым колесом, при этом оба кривошипно-шатунных механизма механически связаны между собой. На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства, на фиг. 2-6 основные положения подвижных частей уста;нрвки в процессе работы, на фиг. -7 PV-диаграмма термодинамических процессов, происходящих с газовой смесью в камере для создания инверсной заселенности; на фиг. 8 - схема устройства с двумя кривошипно-шатунными еханизмами. . Устройство состоит из разрядной камеры 1 с приспособлением для импульсного создания инверсной заселенности молекул газовой среды, оптического резонатора 2, поршня 3 прямоугольного сечения с кривошипно-шатунным механизмом и паховым колесом 4 , диэлектрической стенки 5, установленной на входе в разрядную камеру, обратными впускными и выпускными клапа:намн 6, причем впускные (выпускные) кяанапы находятся на неподвижной стенке 5, а выпускные (впускные) на поршне 3. . Устройство работает следующим образом. С помощью электродвигателя, вал которого жестко связан с осью махов го колеса 4, маховое колесо раскручивается до заданной угловой скорости. В начальный момент времени i когда поршень занимает положение А (см. фиг. 2) в камере 1 осуществляется импульсный подвод энергии, в результате чего создается инверсная заселенность. Через некоторое время достигается пороговый коэффициент усиления и в объеме камеры происходит генерация мощного потока световой энергии. Вместе с этим происходит релаксация колебательной энерги молекул в тепловую энергию поступательного движения, т.е. в объеме газовой среды, находящейся в камере происходит импульсное выделение теП ловой энергии (наPV-диаграмме см. фиг. 7 - процесс ), в результате чего газ в камере нагревается при практически постоянном объеме (поршень за это время перемещается на незначительную величину Возникающая в камере сила давления газовой смеси, воздействуя на поршень, сообщает ему импульс. В результате инерции махового колеса и сообщенного импульса поршень пере мещается в положение В (см. фиг. 3, на .PV-диаграмме - см. фиг. 7 Лроцесс ). Газ при этом расширяется до первоначального давления, причем часть газа может вытекать через обратные клапаны поршня. Далее пройдя нижнюю мертвую точку, поршень начинает движение к стенке 5, вытесняя через свои обратные клапаны газовую смесь, находящуюся в камере (см. фиг. А-5, на PV-диаграмме . см. фиг. 7 - процесс Й-10) Пройдя положение верхней мертвой точки Д (см. фиг. 5) и вытеснив весь газ из полости разрядной камеры, поршень начинает обратное движение, причем через обратные клапаны, находящиеся в стенке 5, в. камеру поступает свежая газовая смесь (на PV-диагрямме -см. фиг. 7 - процесс 10-7). В положении А (см. фиг. 2), когда поршень отодвинется на расстояние размеров камеры, вновь осуществляется импульсный подвод энергии и цикл повторяется. В результате реализуется импульсный частотный режим генерации мощных потоков световой энергии. После выхода лазер-а на рабочий .режим от электродвигатели отключа тся питание и он может быть использован как дополнительная масса к маховому колесу, или, если момент на оси махового колеса будет велик, в качестве электрогенератора, например, для питания приборов установки. Частота импульсов такого устройства определяется формулой: - д где L- время, за которое маховое колесо делает один оборот; средняя скорость поршня; d - ход поршня. Как видно из формулы, частота ра-боты установки может быть повьш1ена за счет увеличения и уменьшения d. VCP зависит от массы поршня, прочности материалов, из котордго он изготовлен, и поэтому является величиной вполне определенной. Поэтому реальное увеличение частоты можно получить только за счет уменьшения 6 Однако это приведет к уменьшению . объема камеры, и следовательно, энергии импульса. Тем не менее можно зменьшить ход поршня d, не меняя размеров камеры. Для этого (см. фиг. 8) необходимо вместо стенки 5 с обратными клапанами использовать второй поршёнь 11, синхронно связанньй с первым В этом случае частота повышается в 2 раза, причем энергия в импульсеостается неизменной, и, следовательно, средняя мощность излучения увеличивается также в 2 раза. Впускные и выпускные клапаны могут открьгааться и закрываться как в результате силового воздействия на них перепада давления, возникающе го в результате энерговьзделения и движения поршня, тате и в результате работы распределительного механизма, синхронно связанного с маховым колесом. Одной из задач лазерной техники вляется получение инверсной засеенности молекул газовой смеси, предарительно охлажденной до низкой емпературы (100-150 К). В этом лучае существенно;повышаются удельые знерговклады в импульсе, улучшатся устойчивость разряда, а также оявляется возможность получить COg-излучение в более глубокой инфра красной области, чем 10,2 мкм, что представляет собой интерес при рещеНИИ ряда праГктйчёских задач. В настоящее время одним из спЬсо бoв oxлiaждeнйя газойой сйес:й Являетс в сМр звуковом патоке. Однако это решение требует значитель ных энергетических затрат, связанных с созданием необходимого перепада давления. .. -... -. , В устройстве можно охлаждать газо вую смесь в камере, также используя эффект расширения. Для зтого необходимо лишь предусмотреть устройство, пропускающее огра.нйченное количество газовой смеси в разрядную камеру с таким расчетом, чтобы к моменту прихода поршня (или поршней, в случае схемы с двумяпоршнями, см. фиг. 8) в положение А (непосредствен но перед разрядом, фиг, 2, 6) в каме t ру поступило бы такое количество газовой смеси, которое обусловило бы необходимую плотность f з, соедйвательйо, исходя из условия адиабатичйбсФй п1ЕзоЦессарасЩйренйя, и температуру Т в разрядной камере.. Как известно, соотношение между Р и Т в адиабатическом процессе определяется формулой - 2 где If -показатель адиабаты.

ДРЖУ7 Я

С Фаг Л

в

.....J.iyyx fl..:. ..

Ш

Фиг.З

В

иг.5 Если температура газовой смеси, i поступающей в разрядную камеру через клапаны, равна Т, температура охлажденной в результате расширения газовой смеси -Т, а температура после энерговклада -Т, то величина энер- , гии, которую необходимо затратить на охлаждение газовой смеси, определяется формулой для адиабатического процесса;-oxn vVQv - . гДе Су - удельная VennoeMKocTb газовой смеси при постоянном объеме. Энергия, которая подводится к газовой смеси в результате газового разряда, определяется формулой для изохорического процесса: -noq vv i) так как Т TQ Т то, очевидно, что Л.--«по -1охп С,СТг-То 0 Именно за счет этой энергии ut (или ее части, в случае работы электродвигателя махового.колеса) поддерживается устойчивое движение махового полеса, а следовательно, и поршня, и осуществляется смена газа в разрядной камере.. Таким образом, использование изобретений позволит повысить полный КПД установки, увеличить удельные энерговклады, а также улучшить удельные весо-габаритные характеристики.

Фиг.6