Электроразрядный лазер с конвективным охлаждением

 

Сущность изобретения: лазер содержит разрядную камеру, выполненную в виде цилиндрической трубы из диэлектрика, источник питания основного разряда, подключенный к основным электродам, генератор импульсов, оптический резонатор, газовый контур. Газовый контур соединен с разрядной камерой через два диэлектрических переходника. На поверхности диэлектрической трубы установлены электроды предионизации, подключенные к генератору импульсов. Отверстия для подключения диэлектрических переходников выполнены в боковой поверхности трубы с осью, перпендикулярной оси трубы. Электроды основного разряда установлены в диэлектрических переходниках. 1 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.(s»s Н 01 S 3/0977

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР ю,О (Jg

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4832436/25 (22) 24.04.90 (46) 07.04.92. Бюл, № 13 (71) Совместное советско-западногерманское предприятие "Центр лазерной технологии" (72) А.Ф.Витшас, В.А.Лопота, Л.П.Менахин, А.М.Сорока и В,B.×óëêoa (53) 621,375.8(088,8) (56) Патент CLLIA

¹ 3935547, кл. 331 †.5, опублик, 1976.

Голубев В.С., Лебедев Ф,B. Инженерн ые основы создания технологических лазеров. M.: Высшая школа, 1988, с, 63, (54) ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР С КОНВЕКТИВНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в мощных газовых лазерах с конвективным охлаждением рабочей смеси.

Известно устройство газового лазера с конвективным охлаждением рабочей смеси, которое состоит из разрядной, рубки, внутри которой с помощью системы электродов создается газоразрядная плазма. В торцах разрядной трубки размещаются зеркала резонатора. Усилительные свойства среды

СО2 лазера ограничены перегревом активной среды. Для предотвращения перегрева в таких устройствах осуществляют прокачку газовой смеси СОг лазера. вдоль разрядной трубки. Предельная величина удельной вы„„5U „„1725778 АЗ (57) Сущность изобретения: лазер содержит разрядную камеру, выполненную в виде цилиндрической трубы из диэлектрика, источник питания основного разряда, подключенный к основным электродам, генератор импульсов, оптический резонатор, газовый контур, Газовый контур соединен с разрядной камерой через два диэлектрических переходника. На поверхности диэлектрической трубы установлены электроды предионизации, подключенные к генератору импульсов. Отверстия для подключения диэлектрических переходников вы пол нен ы в боковой поверхности трубы с осью, перпендикулярной оси трубы. Электроды основного разряда установлены в диэлектрических переходниках. 1 ил. ходной мощности излучения ограничена величиной плотности вкладываемой мощности Рвкл

Для повышения мощности излучения газовых лазеров с конвективным охлаждением среды используют комбинированные разряды, в которых большая часть энергии вкладывается в течение рекомбинационного распада плазмы при относительно небольших Е/Р (Š— напряженность электрического поля; Р— давление газа), а импульсный разряд с высоким E/P исполь- зуется для создания высокой степени ионизации газа.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является газоразрядный лазер с

1725778

55 конвективным охлаждением рабочей смеси

"Лантан 2М", состоящий из газового контура, обеспечивающего скорость потока газа до.70 м/с, и разрядной камеры с оптическим резонатором. Газоразрядная камера представляет собой плоский канал, ограниченный сверху и снизу электродами предыонизации, а с боков — стеклотекстолитовыми стенками с отверстиями для прохода излучения и электродов основного разряда. При подаче на электроды предыонизации импульсов высокого напряжения от генератора. импульсов в объеме камеры поддерживается емкостный разряд.

От источника питания основного разряда прикладывается напряжение к электродам основного разряда. Необходимость развязки цепей питания, газового контура и резонатора привела к тому, что направление тока емкостного разряда, вектор тока основного разряда, совпадающего с направлением газового потока, и оптическая ось резонатора ориентированы во взаимно перпендикулярных направлениях.

Недостатками прототипа являются небольшая мощность излучения и большая расходимость излучения. Поскольку при работе лазера в газовой среде выделяется значительное количество тепла, то вниз по потоку газовая температура увеличивается от начальной 300 до 500 — 600 К, что вызывает соответствующее уменьшение плотности газа. Так как направление распространения света перпендикулярно направлению газового потока, то из-за поперечных неоднородностей плотности газа возникает оптический клин, рефракция света на котором приводит к крупномасштабным линейным аберрациям волнового фона. Угловое смещение светового пучка невозможно при этом скомпенсировать юстировкой резонатора из-за нестационарности теплового режима работы лазера, вызванной изменением энерговклада в разрядную камеру, турбулентными пульсациями газового потока и т.п, Угловое смещение светового пучка при распространении через активную среду приводит к фазовым искажениям выходного светового пучка и к ухудшению его расходимости, В прототипе электроды основного разряда расположены между электродами предыонизации.. Это вызывает искажения электрического поля в емкостном разряде, который используется для ионизации среды. Часть тока емкостного разряда замыкается через электроды основного разряда, которые по высокой частоте находятся под потенциалом одного из электродов предыонизации. Это приводит к появлению вблизи электродов обла5

45 стей, где ионизация газовой среды практически отсутствует. Поэтому ток основного разряда частично замыкается на электроды через области самостоятельного разряда.

Контракция разряда в этих областях снижает энерговклад в разряд, поскольку шнурование разряда в области самостоятельного разряда инициирует прорастание высокопроводящих шнуров в основной области и делает невозможным существование однородной формы разряда, Кроме того, рефракция света на этих неоднородностях ухудшает расходимость выходного излучения лазера.

Целью изобретения является повышение мощности излучения и уменьшение его расходимости.

Эта цель достигается тем, что в электроразрядном лазере с конвективным охлаждением, состоящем из заполненной активной среды разрядной камеры, выполненной из диэлектрика, источника питания основного разряда, генератора импульсов, оптического резонатора, газового контура, двух диэлектрических переходников, через которые газовый контур соединен с разрядной камерой, основных электродов, подключенных к источнику питания основного разряда и изолированных диэлектриком от активной среды двух электродов предыонизации, подключенных к генератору импульсов, разрядная камера выполнена в виде цилиндрической трубы, ось которой совмещена с оптической осью резонатора, электроды предыонизации расположены на внешней поверхности этой трубы симметрично относительно ее оси, диэлектрические переходники подсоединены к боковой поверхности трубы со стороны одного из электродов предыонизации на расстоянии друг от друга меньшем, чем длина электродов предыонизации, а основные электроды установлены в диэлектрических переходниках так, что их рабочие поверхности не выступают внутрь трубы.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Устройство содержит разрядную камеру 1, источник 2 питания основного разряда, генератор 3 импульсов, оптический резонатор, образованный зеркалами 4 и 5, установленными в торцах разрядной камеры 1, газовый контур 6, диэлектрические переходники 7 и 8. В состав разрядной камеры входят цилиндрическая трубка 9, электроды 10 и 11 предыонизации и электроды 12 и 13 основного разряда.

Устройство работает следующим образом.

1725778

Генератор 3 импульсов генерирует последовательность импульсов с периодом повторения, меньшим характерного времени рекомбинации плазмы, Емкостный разряд, возникающий в газовой среде под действием электрических импульсов генератора 3, прикладываемых к электродам 10 и 11, поддерживает высокую проводимость за счет таунсендовской ионизации. Электрический разряд, возникающий между электродами 12 и 13 основного разряда при наложении электрического поля источника

2 питания основного разряда, возбуждает газовую смесь СО лазера. Генерация света осуществляется при достаточно высокой степени возбуждения среды с помощью зеркал 4 и 5, установленных в торцах цилиндрической трубки 9 разрядной камеры 1.

Перегретая газовая смесь устраняется из активной области резонатора путем прокачки газа, которая осуществляется через газовый контур 6, входной диэлектрический переходник 7, разрядную камеру 1, выходной диэлектрический переходник 8 и газовый контур 6, в котором смесь охлаждается и который. поддерживает между входом и выходом необходимый перепад давления газа.

Конструкция обладает меньшими фазовыми искажениями светового пучка, поскольку оптическая ось резонатора совпадает с направлением газового потока, а продольная неоднородность активной среды не вызывает фазовых искажений.

Поперечная неоднородность, вызванная вытеканием газа из области энерговклада, в конструкции отсутствует, поскольку область энерговклада ограничена стенками разрядной трубки, Цилиндрическая геометрия канала значительно проще прямоугольного канала, используемого в прототипе.

Изготовление разрядной камеры обходится значительно дешевле, поскольку при установке электродов предыонизации на внешней поверхности трубки отпадает необходимость в изоляции их от активной среды. Увеличивается также выходная мощность лазера, В конструкции емкостный разряд на внешнюю сторону электродов предыонизации замыкается на землю через внешнюю среду, а не через газовую смесь лазера как в прототипе(что вызывает дополнительный нагрев смеси и снижение выходной мощности лазера).

В конструкции область неоднородности емкостного разряда вынесена из оптического резонатора, что устраняет рефракцию света на таких неоднородностях. Как показали расчеты электрическогс емкостного разряда, конструкция по сравнению с про/ тотипом обладает более высокой степенью однородности. Кроме того, конструкция обладает меньшими неоднородностями, поскольку направление светового потока

5 совпадает по направлению с градиентами неоднородностей плотности газа. Поэтому устраняется рефракция света на них, уменьшаются фазовые искажения и, следовательно, ухудшается расходимость лазера.

10 Расположение электродов предыонизации по внешней поверхности трубы позволило в данной конструкции поместить целиком область основного разряда в область ионизованного емкостным разрядом

15 газа. Тем самым ликвидируются области вблизи электродов неионизированного газа, контракция разряда в которых уменьшает устойчивость разряда.

Поскольку разряд более устойчив, то в

20 активную среду при прочих равных условиях можно вкладывать большую мощность и, соответственно, повышаты мощность излучения.

Испытания лазера показали, что мощ25 ность выходного излучения в частотноимпульсном режиме составила 1,5 кВт при расходимости 10 рад, что значительно выше соответствующих величин для установки "Лантан-2М" (соответственно 1 кВт и

30 3 10зрад).

Пример . В разрядном устройстве использовались цилиндрические стеклянные трубки диаметром 4,7 см, толщиной 1,7 мм с общей. длиной 3,6 м, ось симметрии

35 которой совпадает с оптической осью резонатора, газовый контур использовался от установки "Латус-31", электроды предыонизации выполнены из алюминиевой фольги, наклеенной на внешнюю поверхнбсть стек40 лянных трубок. Базовый контур соединен с трубкой диэлектрическими переходниками, для чего в боковой поверхности трубки изготовлены отверстия с осью, перпендикулярной оси трубки. Электроды основного

45 разряда выполнены из меди. Газовая смесь

COz:Hz: Не — в соотношении 2:9:20, давление 65 торр, Одно из зеркал глухое с коэффициентом отражения 0,98, второе— полупрозрачное с коэффициентом пропу50 скания 0,5. Напряжение источника питания основного разряда 12 кВ. Генератор импульсов генерировал пучки импульсов с частотой повторения 20 кГц, амплитуда 20 кВ, длительность пачки до 1 мс, частота повто55 рения пачек до 400 Гц. Максимальная средняя выходная мощность излучения составила 1,5 кВт при расходимости 10 рад, При расходе газа в 1,5 м /с устройство з превосходит по выходным параметрам (мощность — на 20 и расходимость — в 3

1725778 раза) прототип, работающий с расходом газа вдвое большим — 3 м /с. з

3

1 1, !

Составитель А,Кораблев

Техред М.Моргентал Корректор М.Максимишинец

Редактор Л.Гратилло

Заказ 1189 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Формула изобретения

Электроразрядный лазер с конвективным охлаждением, содержащий оптический резонатор, заполненную активной средой диэлектрическую разрядную камеру, источник питания основного разряда, генератор импульсов, газовый контур, соединенный с разрядной камерой через два диэлектрических переходника, основные. электроды, подключенные к источнику питания основного разряда и изолированные от активной среды два электрода предыонизации, подключенные к генератору импульсов, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения мощности излучения и уменьшения его расходимости, камера выполнена в виде цилиндрической трубы, ось которой совмещена с

5 оптической осью резонатора, электроды предыонизации расположены на внешней поверхности этой трубы симметрично относительно ее оси, диэлектрические переходники подсоединены к боковой поверхности

10 трубы со стороны одного из электродов предыонизации на расстоянии друг oT друга меньшем, чем длина электродов предыонизации, а основные электроды установлены в диэлектрических переходниках так, что их

15 рабочие поверхности не выступают внутрь трубы.