Электроразрядный лазер с диффузионным охлаждением

 

Сущность изобретения: лазер содержит оптический резонатор 1, две разрядные секции 2 с основными электродами 3 и вспомогательными электродами 5, 6. Источник импульсного напряжения 7 генерирует последовательность импульсов напряжения, которые прикладываются к вспомогательным электродам 5, 6. Вспомогательные электроды выполнены в виде элекропроводящих полосок, нанесенных на внешнюю поверхность диэлектрической трубки. Электрический разряд, который горит между основными электродами 3 секций, возбуждает газовую смесь. Повышение мощности излучения достигается за счет стабилизации тепловой неустойчивости разряда в секциях, объединенных общим газовым объемом с помощью поперечного вспомогательного разряда. Дополнительное повышение мощности достигается за счет использования стабилизирующей разряд отрицательной - обратной связи, охватывающей либо основной источник электропитания 4, либо источник импульсного напряжения 7. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для возбуждения мощных газовых лазеров с диффузионным охлаждением рабочей смеси. Известно устройство газового лазера с диффузионным охлаждением рабочей смеси, которое состоит из охлаждаемой жидкостью разрядной трубки, внутри которой с помощью системы электродов создается газоразрядная плазма. По торцам разрядной трубки размещаются зеркала резонатора. Предельная величина мощности излучения, которая достигается в CO₂ лазерах с диффузионным охлаждением, составляет 30-40 Вт/м. Эта величина ограничена скоростью отвода тепла на стенки разрядной трубки. Из конструктивных соображений, связанных с ограничением величины разрядного напряжения и габаритов установки, мощные диффузионные лазера с большой длиной активной среды целесообразно изготавливать в виде ряда более коротких трубок. Излучение проходит через эти трубки последовательно с помощью системы поворотных зеркал, объединяющих их в общий резонатор. Недостатком таких лазеров являются разрывы в трубках и связанные с ними потери излучения в поворотных зеркалах и газовой среде балластных объемов. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является электроразрядный лазер, который содержит оптический резонатор, представляющий собой жесткий корпус, на торцах которого в юстировочных устройствах установлены зеркала резонатора. Внутри жесткого корпуса установлены последовательно вдоль оптической оси две разрядные секции, причем каждая секция включает диэлектрическую трубку, на концах которой расположены основные электроды, а на внешней поверхности каждой диэлектрической трубки расположен вспомогательный электрод, выполненный в виде электропроводящего покрытия. Недостатком прототипа является низкая мощность излучения, поскольку необходимым условием для устойчивой работы разряда является наличие балластного объема между секциями. В этом объеме отсутствует электрический разряд и, следовательно, не возбуждается активная среда. Это, а также поглощение излучения в балластном объеме ограничивает выходную мощность лазера. Целью изобретения является повышение мощности излучения. Это достигается тем, что в электроразрядном лазере с диффузионным охлаждением, содержащем оптический резонатор, две разрядные секции, установленные последовательно вдоль оптической оси резонатора, причем каждая секция включает диэлектрическую трубку, на концах которой расположены основные электроды, один из которых, расположенный между секциями, выполнен общим для обеих секций, основные электроды подключены к основному источнику электропитания, а на внешней поверхности каждой диэлектрической трубки расположен вспомогательный электрод, выполненный в виде электропроводящего покрытия и подключенный к источнику импульсного напряжения, каждая секция снабжена вторым вспомогательным электродом, который также подключен к источнику импульсного напряжения, в каждой секции вспомогательные электроды выполнены в виде полосок, расположенных вдоль оси трубки с зазорами симметрично относительно оси трубки, диэлектрические трубки установлены так, что они вплотную примыкают к расположенному между ними основному электроду, а источник импульсного напряжения выполнен так, что амплитуда его импульсов U_иудовлетворяет соотношению U_и > 2Ud/l, где U - напряжение статического пробоя между основными электродами одной секции при рабочих параметрах лазерной газовой смеси; d - внутренний диаметр диэлектрической трубки; l - длина диэлектрической трубки. Для повышение мощности излучения каждая разрядная секция может быть снабжена измерителем тока, основной источник электропитания выполнен в виде двух регулируемых блоков и снабжен разностной схемой и инвертором, при этом входы разностной схемы подключены к выходам измерителей тока, а ее выход подключен непосредственно к управляющему входу одного блока и через инвертор - к управляющему входу другого блока основного источника электропитания. Для повышения мощности излучения каждая секция может быть снабжена измерителем тока, источник импульсного напряжения выполнен в виде двух регулируемых блоков и снабжен разностной схемой и инвертором, при этом входы разностной схемы подключены к выходам измерителей тока, а ее выход подключен непосредственно к управляющему входу одного регулируемого блока и через инвертор - к управляющему входу другого блока источника импульсного напряжения. На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг.2 - разрез трубки в сечении А-А; на фиг.3,4 - варианты построения управляемых источников питания. Устройство содержит оптический резонатор 1, диэлектрическую трубку 2, основные электроды 3, основной источник электропитания 4, первый вспомогательный электрод 5, второй вспомогательный электрод 6, источник импульсного напряжения 7. Устройство работает следующим образом. Источник импульсного напряжения генерирует последовательность импульсов с периодом между импульсами меньшим характерного времени рекомбинации плазмы. Емкостный вспомогательный разряд, возникающий в газовой среде лазера под действием электрических импульсов, приложенных к электродам 5, 6, поддерживает высокую проводимость среды за счет таунсендовской ионизации газа. Электрический разряд, который горит в двух секциях трубки, между основными электродами 3 возбуждает газовую смесь. Питание разряда осуществляется основным источником электропитания 4, подключенным к электродам 3. Генерация излучения осуществляется при достаточно высокой степени возбуждения среды с помощью оптического резонатора 1. На фиг.3 представлен вариант построения основного источника электропитания, который содержит регулируемые блоки 8, измерители токов 9, разностную схему 10, инвертор 11. Основной источник электропитания работает следующим образом. Сигналы выходов измерителей токов 9 поступают на разностную схему 10, на выходе которой формируется сигнал, пропорциональный разности токов. Этот сигнал регулирует (в противоположные стороны) напряжения блоков 8 таким образом, что изменение вкладываемой мощности компенсирует перетекание газа из одной секции в другую. На фиг. 4 представлен вариант построения устройства, который содержит регулируемые импульсные блоки 12. Устройство в таком варианте работает следующим образом. Сигналы с выходов измерителей токов 9 поступают на разностную схему 10, на выходе которой формируется сигнал, пропорциональный разности токов. Этот сигнал регулирует (в противоположные стороны) амплитуду импульсов напряжения, которые генерируют регулируемые блоки 12 таким образом, что изменение вкладываемой мощности компенсирует перетекание газа из одной секции в другую. Вспомогательный импульсный разряд, который возбуждается импульсами высокого напряжения, в направлении, перпендикулярном оси трубки, служит для управления проводимостью газа. Таунсендовская ионизация газа во время разрядных импульсов увеличивает плотность плазмы. Между импульсами самостоятельная ионизация газа отсутствует, так как напряженность основного разряда, который горит между электродами секции, недостаточно велика, газоразрядная плазма рекомбинирует. Амплитуда напряжения вспомогательных импульсов выбирается так, чтобы самостоятельная ионизация во вспомогательном разряде компенсировала бы потерю заряженных частиц между импульсами. Длительность тока вспомогательного разряда ограничена распределенной емкостью, образованной внешней поверхностью трубки с металлическим покрытием и внутренней поверхностью трубки, контактирующей с газоразрядной плазмой. Конструкция электродов обладает высокой устойчивостью вспомогательного разряда, поскольку развитие локальных возмущений плазмы ограничено распределенной емкостью. Возникающий тип разряда позволяет более эффективно возбуждать активную среду лазера, поскольку напряжение основного разряда можно регулировать и выбирать так, чтобы эффективность возбуждения верхнего лазерного уровня была максимальна, причем разряд горит устойчиво в обеих секциях при выполнении приведенного соотношения для амплитуды импульсов U_и и источника импульсного напряжения. П р и м е р. В разрядном устройстве использовались диэлектрические трубки с внутренним диаметром 2 см, длиной 120 см (с двумя секциями по 60 см), вспомогательные электроды выполнены в виде медного покрытия, нанесенного на внешнюю поверхность трубок (толщина стекла трубки 1 мм). Источник импульсного напряжения генерировал импульсы длительностью 100 нс, амплитудой 5 кВ с частотой 10⁴ Гц. Резонатор состоял из глухого медного зеркала с радиусом скругления 5 см и плоского зеркала из ZnSe. Газовая смесь CO₂:N₂: He при отношении 1:9:20, давление 30 тор. Максимальная выходная мощность излучения 60 Вт или 50 Вт/м.

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР С ДИФФУЗИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ, содержащий оптический резонатор, две разрядные секции, установленные послеедовательно вдоль оптической оси резонатора, причем каждая секция включает диэлектрическую трубку, на концах которой расположены основные электроды, один из которых, расположенный между секциями, выполнен общим для обеих секций, при этом основные электроды подключены к основному источнику электропитания, а на внешней поверхности каждой диэлектрической трубки расположен вспомогательный электрод, выполненный в виде электропроводящего покрытия и подключенный к источнику импульсного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности излучения лазера, каждая секция снабжена вторым вспомогательным электродом, который также подключен к источнику импульсного напряжения, в каждой секции вспомогательные электроды выполнены в виде полосок, расположенных вдоль оси трубки с зазорами симметрично относительно оси трубки, причем диэлектрические трубки установлены так, что они вплотную примыкают к расположенному между ними основному электроду, а источник импульсного напряжения выполнен так, что амплитуда его импульсов U_и удовлетворяет соотношению U_и > 2Ud / l, где U - напряжение статического пробоя между основными электродами одной секции при рабочих параметрах лазерной газовой смеси; d - внутренний диаметр диэлектрической трубки, l - длина диэлектрической трубки. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что каждая разрядная секция снабжена измерителем тока, основной источник электропитания выполнен в виде регулируемых блоков и снабжен разностной схемой и инвертором, при этом входы разностной схемы подключены к выходам измерителей тока, а ее выход подключен непосредственно к управляющему входу одного блока и через инвертор - к управляющему входу другого блока основного источника электропитания. 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что каждая секция снабжена измерителем тока, источник импульсного напряжения выполнен в виде двух регулируемых блоков и снабжен разностной схемой и инвертором, при этом входы разностной схемы подключены к выходам измерителей тока, в ее выход подключен непосредственно к управляющему входу одного регулируемого блока и через инвертор - к управляющему входу другого блока источника импульсного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002        

---