Устройство возбуждения газового лазера

 

Сущность изобретения: устройство возбуждения лазера содержит ВЧ - источники питания, задающий ВЧ - генератор, квадратурный делитель мощности, а также четыре реактивных двухполюсника. Вход задающего ВЧ - генератора через квадратурный делитель мощности подключен к входам ВЧ - источников питания, а их выходы - к проводникам резонатора в точках подключения реактивных двухполюсников, два реактивных двухполюсника подключены к проводникам с противоположной стороны. 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газоразрядных лазеров.

Известны устройства возбуждения газового лазера, которые создают в газоразрядной трубке лазера продольный разряд постоянного тока или продольный высокочастотный (ВЧ) разряд (см. Ищенко Е. Ф. , Климков Ю. М. Оптические квантовые генераторы. М. : Советское радио, 1968, с. 26). Однако продольному разряду свойственны паразитные реактивные колебания, ухудшающие спектральные характеристики лазерного излучения. Другим недостатком подобных устройств является необходимость применять поджигающее устройство, а в случае разряда постоянного тока - вводить в газоразрядную трубку анод, катод, использовать высоковольтный источник питания.

Известны также устройства возбуждения газового лазера, которые создают в газоразрядной трубке поперечный ВЧ-разряд. Они содержат ВЧ-источник питания и связанный с его выходом ВЧ-резонатор, в котором расположена газоразрядная трубка (см. Юдин В. И. Исследование гелий-неонового ОКГ с высокочастотным разрядом. - "Квантовая электроника", 1973, N 3, с. 134). Подобные устройства имеют недостаточную эффективность возбуждения рабочей среды лазера, что связано с особенностями распределения ВЧ-электрического поля резонатора вдоль газоразрядной трубки и в ее поперечном сечении.

В устройстве, принятом за прототип, поперечный ВЧ-разряд создается высокочастотным электрическим полем резонатора, который образован отрезком симметричной двухпроводной линии, проводники которой размещены в общем экране и расположены вдоль оси газоразрядной трубки лазера. Несимметричный выход ВЧ-источника питания подключен к середине отрезка двухпроводной линии, при этом один из проводников имеет относительно экрана нулевой ВЧ-потенциал (см. Абрамов В. И. и др. Населенность состояний 3S2, 2P4 неона в плазме Не-Ne ОКГ. Сб. трудов Воронежского политехнического института. Генерирование и усиление колебаний, 1971, вып. 4, с. 309). В отрезке двухпроводной линии ВЧ-источник питания возбуждает стоячую волну с чередующимися вдоль отрезка пучностями и узлами напряженности электрического поля. В поперечном сечении отрезка напряженность электрического поля вблизи проводника с нулевым ВЧ-потенциалом меньше, чем у второго проводника. Таким образом, электрическое поле в устройстве-прототипе существенно неоднородно вдоль оси и в поперечном сечении газоразрядной трубки, что вызывает соответствующую неоднородность интенсивности процессов ионизации и возбуждения газовой среды, ухудшающую спектральные и энергетические характеристики лазерного излучения, т. е. снижение эффективности возбуждения рабочей среды лазера.

Цель изобретения - повышение эффективности возбуждения рабочей среды газового лазера.

Цель достигается тем, что в устройство возбуждения газового лазера, содержащее ВЧ-источник питания и связанный с его выходом высокочастотный резонатор, образованный отрезком симметричной двухпроводной линии, проводники которой размещены в общем экране и расположены вдоль оси газоразрядной трубки лазера, введены дополнительный ВЧ-источник питания, идентичный основному, задающий ВЧ-генератор, квадратурный делитель мощности и четыре реактивных двухполюсника. При этом выход задающего ВЧ-генератора через квадратурный делитель мощности подключен к входам основного и дополнительного ВЧ-источников питания, выходы которых включены между общим экраном и соответственно первым и вторым проводниками с одной стороны отрезка двухпроводной линии, первый и второй реактивные двухполюсники включены между общим экраном и, соответственно, первым и вторым проводниками с противоположной стороны отрезка двухпроводной линии, а третий и четвертый реактивные двухполюсники включены между общим экраном и выходами соответственно основного и дополнительного ВЧ-источников питания. Отрезок двухпроводной линии выполнен с длиной, равной нечетному числу четвертей длины волны задающего ВЧ-генератора, а сопротивления Х1, Х2, Х3, Х4 соответственно первого, второго, третьего и четвертого реактивных двухполюсников удовлетворяют следующим соотношениям: X1= -X2= jZc, X3= j, X4= -j где Zc, Zп - волновые сопротивления линий, образованных каждым из проводников высокочастотного резонатора и общим экраном соответственно при синфазном и противофазном возбуждении; ReYг, ImYг - соответственно активная и реактивная составляющие внутренней проводимости генератора, эквивалентного каждому из ВЧ-источников питания; j - мнимая единица.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства возбуждения газового лазера; на фиг. 2 - эквивалентная схема, поясняющая его работу.

Устройство возбуждения газового лазера (фиг. 1) содержит высокочастотный резонатор, образованный проводниками 1 и 2 отрезка симметричной двухпроводной линии, расположенной вдоль оси газоразрядной трубки 3, основной 4 и дополнительный 5 ВЧ-источники питания, задающий ВЧ-генератор 6, квадратурный делитель 7 мощности и четыре реактивных двухполюсников 8-11. Проводники 1 и 2 размещены в общем экране, который обозначен на фиг. 1 как "корпус". Выход задающего генератора 6 через квадратурный делитель 7 подключен к входам ВЧ-источников 4 и 5. Выходы ВЧ-источников 4 и 5 питания включены между общим экраном и соответственно проводниками 1 и 2 с одной стороны отрезка двухпроводной линии. Первый и второй реактивные двухполюсники 8 и 9 включены между общим экраном и соответственно проводниками 1 и 2 с противоположной стороны отрезка двухпроводной линии. Третий и четвертый реактивные двухполюсники 10 и 11 включены между общим экраном и соответственно выходами основного и дополнительного ВЧ-источников 4 и 5 питания.

Отрезок двухпроводной линии имеет длину, равную нечетному числу четвертей длины волны задающего генератора. ВЧ-источники 4 и 5 могут быть выполнены в виде усилителей мощности или синхронизированных генераторов, квадратурный делитель 7 - в виде шлейфного моста или трехдецибельного направленного ответвителя на связанных линиях, реактивные двухполюсники 8-11 - например, в виде реактивных шлейфов.

Эквивалентная схема устройства возбуждения газового лазера (фиг. 2) содержит П-образный четырехполюсник 12, эквивалентный высокочастотному резонатору, генераторы 13 и 14 тока с внутренними проводимостями 15, эквивалентные соответственно основному 4 и дополнительному 5 ВЧ-источниками питания, и проводимости jY3 = 1/X3 16 и jY4 = 1/X4 17 соответственно третьего и четвертого реактивных двухполюсников. Эквивалентный четырехполюсник 12, входы которого соответствуют выходам ВЧ-источников 4 и 5 на фиг. 1, содержит реактивные проводимости jY1, jY2, jY12 и активные сопротивление R, отображающее выделение активной мощности высокочастотных колебаний в плазме газового разряда. При высокой добротности высокочастотного резонатора R >> Zc, R >> Zп. Устройство возбуждения газового лазера работает следующим образом. К входам ВЧ-источников 4 и 5 питания от задающего генератора 6 через квадратурный делитель 7 подводятся колебания равной амплитуды, сдвинутые по фазе на угол 90о. Поэтому токи эквивалентных генераторов 13 и 14 находятся в квадратурном соотношении: Iг2 = jIг1. Оба ВЧ-источника питания возбуждают в высокочастотном резонаторе стоячую волну, для которой распределения комплексной амплитуды напряжения проводников 1 и 2 относительно общего экрана u1(x) и u2(x) и тока в этих проводниках I1(x) и I2(х) по координате х, отсчитываемой вдоль оси газоразрядной трубки, определяются условиями возбуждения резонатора и граничными условиями на концах проводников 1 и 2. Эти условия, а также длина l проводников 1 и 2 таковы, что разность высокочастотных потенциалов u1(x) - u2(x), т. е. противофазная волна, имеет амплитуду, не зависящую от координаты х, и, следовательно, распределение амплитуды напряженности электрического поля по оси газоразрядной трубки 3 оказывается равномерным. В сравнении с устройством-прототипом повышается равномерность электрического поля и в поперечном сечении газоразрядной трубки, поскольку оба проводника 1 и 2 являются "потенциальными".

Величина проводимости третьего и четвертого реактивных двухполюсников 10 и 11 (jY3 и jY4 на фиг. 4) выбрана из условия комплексно-сопряженного согласования ВЧ-источников 4 и 5 питания с нагрузкой, функцию которой выполняет сопротивление R с учетом взаимодействия между источниками. При этом ВЧ-источники питания "вкладывают" в плазму газового разряда максимальную для заданных токов | Iг1| = = | Iг2 | и внутренней проводимости Yг эквивалентных генераторов высокочастотную мощность, равную удвоенной номинальной мощности каждого из ВЧ-источников в отдельности.

Для подтверждения эффектов постоянства амплитуды противофазной волны вдоль проводников 1 и 2 и комплексно-сопряженного согласования на выходах ВЧ-источников 4 и 5 обратимся к уравнениям для комплексных амплитуд напряжения и тока в связанных линиях без потерь, которыми можно воспользоваться при высокой добротности высокочастотного резонатора (см. Фельдштейн А. Л. , Явич Л. Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М. : Связь, 1971, с. 201-203, 210, 212): u1(x) = u1(0)cosmx + j I1(0)sinmx + jrI2(0)sinmx, u2(x) = u2(0)cosmx + j I2(0) x sinmx + jrI1(0)sinmx, I1(x)= I1(o)cosmx+j sinmx-j sinmx I2(x)= I2(o)cosmx+j sinmx-j sinmx где m= ; - длина волны задающего генератора; , r и W, V - индуктивные и емкостные коэффициенты, связанные с волновыми сопротивлениями Zc и Zп соотношениями:
= , r =
W = , V = Граничные условия со стороны первого и второго реактивных двухполюсников 8 и 9 I1(o) = , I2(o) = и принятые значения ml = 0,5 , 1,5 , , . . . позволяют выразить u1(x) и u2(x) через напряжения u1 и u2 на выходах эквивалентных генераторов 13 и 14:
u1(x)= (u1-ru2)cosmx u1sinmx,
u2(x)= (ru1-u2)cosmx u2sinmx Разность напряжений
u1(x)-u2(x)= (u1+u2)x
x cosmx(u1-u2)sinmx при квадратурном соотношении между u1 и u2, когда u2 = ju1, имеет амплитуду (модуль) u1(x)-u2(x)= u1(1 j)(cosmx-jsinmx)= u не зависящую от координаты х. Квадратурное соотношение между u1 и u2, необходимое для достижения этого эффекта, получается при комплексно-сопряженном согласовании в выходных цепях ВЧ-источников питания.

Из уравнений для I1(x) и I2(x) можно получить выражения для токов в проводниках 1 и 2 при х = l:
I1= j, I2= -j откуда следует, что реактивные элементы П-образной схемы замещения высокочастотного резонатора, т. е. четырехполюсника 12 на фиг. 2, равны:
jY1= j, jY2= -j, jY12= 0 Нулевое значение взаимной проводимостей jY12 минимизирует взаимодействие ВЧ-источников питания - связь между эквивалентными генераторами тока 13 и 14 осуществляется только через высокоомное (в сравнении с Zc и Zп) сопротивление R. Для узлов эквивалентной схемы устройства возбуждения (фиг. 2) справедливы уравнения Кирхгофа:
IГ1= (Yг+jY1+jY3+ )u1- u2
IГ2= (Yг+jY2+jY4+ )u2- u1 которые с учетом величины проводимостей jY1, jY2и jY3 = 1/x3, jY4 = 1/x4сводятся к виду
IГ1= (ReYг jReYг+ )u1- u2
IГ2= (ReY jReYг+ )u2- u1 При квадратурном соотношении между u1 и u2, когда u2 = ju1, получаем:
IГ1= (ReYг jReYг+ j)u1
IГ2= (ReYг jReYг+ j)u2 где последнее слагаемое в скобках есть доля проводимости, ощущаемой генератором тока, обусловленная их взаимодействием. Комплексно-сопряженное согласование в выходных цепях эквивалентных генераторов тока достигается при
ReYг= При этом, во-первых,
IГ1= (ReYг+ )u1
IГ2= (ReYг+ )u2 и, следовательно, сдвиг фазы токов на угол 90о обеспечивает необходимое квадратурное соотношение между напряжениями. Во-вторых, мощность, поглощаемая сопротивлением R, величину которой можно определить как
P = = = достигает максимального значения
Pmax= которое вдвое больше номинальной мощности генератора тока Iг1 с внутренней проводимостью Yг, т. е. мощности каждого из ВЧ-источников питания в отдельности.

Реализация условия ReYг = 1/R является традиционным для высокочастотной техники выбором оптимальной связи ВЧ-источников питания с нагрузочной цепью. При этом компенсирующие реактивные проводимости jY3и jY4, величина которых зависит от ReYг, корректируются в процессе регулировки устройства возбуждения с использованием визуального или аппаратурного контроля за параметрами газового разряда. Критерием регулировки является максимум мощности, выделяющейся в плазме газового разряда и, следовательно, развиваемой ВЧ-источниками питания, при равномерности свечения плазмы по длине газоразрядной трубки.

Таким образом, устройство возбуждения газового лазера позволяет повысить равномерность возбуждающего электрического поля по длине и в поперечном сечении газоразрядной трубки, удвоить мощность возбуждения и тем самым повысить эффективность возбуждения рабочей среды газового лазера. (56) Юдин В. И. Исследование гелий-неонового ОКГ с высокочастотным разрядом. - Квантовая электроника, 1973, N 3, с. 134.

Абрамов В. И. и др. Населенность состояний 3S2, 2P4 неона в плазме Не-Ne ОКГ. Сб. трудов Воронежского политехнического института. Генерирование и усиление колебаний. 1971, в. 4, с. 309.


Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА, содержащее ВЧ-источник питания и связанный с его выходом высокочастотный резонатор, образованный отрезком симметричной двухпроводной линии, проводники которой размещены в общем экране и расположены вдоль оси газоразрядной трубки лазера, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности возбуждения рабочей среды лазера, в устройство введены дополнительный ВЧ-источник питания, идентичный основному, задающий ВЧ-Генератор, квадратурный делитель мощности и четыре реактивных двухполюсника, при этом выход задающего ВЧ-генаратора через квадратурный делитель мощности подключен к входам основного и дополнительного ВЧ-источников питания, выходы которых включены между общим экраном и соответственно первым и вторым проводниками с одной стороны отрезка двухпроводной линии первый и второй реактивные двухполюсники включены между общим экраном и соответственно первым и вторым проводниками с противоположной стороны отрезка двухпроводной линии, третий и четвертый реактивные двухполюсники включены между общим экраном и выходами, соответственно, основного и дополнительного ВЧ-источников питания, причем отрезок двухпроводной линии выполнен с длиной равной нечетному числу четвертей длины волны задающего ВЧ-генератора, а сопротивления X1, X2, X3, X4, соответственно первого, второго, третьего и четвертого реактивных двухполюсников удовлетворяют следующим соотношениям:
X1= -X2= jZc ;
X3= j
X4= -j
где Zc; Zn - волновые сопротивления линий, образованных каждым из проводников высокочастотного резонатора и общим экраном соответственно при синфазном и противофазном возбуждении;
Re Yг; Jm Yг - соответственно активная и реактивная составляющие внутренней проводимости генератора, эквивалентного каждому из ВЧ-источников питания;
j - мнимая единица.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании технологических газовых лазеров

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в волноводных лазерах со складным резонатором

Изобретение относится к мощной квантовой электронике и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов

Изобретение относится к лазерной технике

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке и производстве волноводных СО2-лазеров, возбуждаемых высокочастотным полем и имеющих складной двухканальный резонатор

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в медицине при лечении внутриполостных инфекций, в микроэлектронике, лазерной химии и в технологических процессах, требующих мощные УФ-излучения

Изобретение относится к области газовых лазеров и может использоваться в конструкциях импульсных газовых лазеров, возбуждаемых быстрым продольным разрядом, например, в лазерах на второй положительной системе полос молекулярного азота (азотных лазерах)

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на парах химических элементов

Изобретение относится к способам и устройствам для возбуждения объемного самостоятельного импульсного продольного разряда в газовых средах для создания источников спонтанного или когерентного излучения

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при конструировании линейных и кольцевых газовых лазерных приборов с ВЧ возбуждением

Изобретение относится к плазменной электронике и может быть использовано при создании СВЧ-генераторов на основе взаимодействия электронных пучков с плазмой. Устройство содержит размещенные в однородном магнитном поле коаксиально расположенные в вакуумной камере кольцевой диск с центральным отверстием и с закрепленным на нем кольцевым термокатодом, трубку-сепаратор, выполненную по размерам центрального отверстия и установленную со стороны кольцевого термокатода, причем направление однородного магнитного поля совпадает с их осью симметрии, а также катушку индуктивности, соединенную с управляемым источником питания и выполненную с возможностью изменения напряженности магнитного поля в вакуумной камере для управления размерами трубчатой плазмы, а трубка-сепаратор изготавливается из металла с высокой проводимостью и толщиной стенки, исключающими проникновение через нее импульсного магнитного поля катушки индуктивности. Технический результат - повышение управляемости устройства путем обеспечения возможности увеличивать и уменьшать поперечные размеры плазменной трубки без смены термокатода и без воздействия на сильноточный электронный пучок, распространяющийся внутри трубки-сепаратора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газоразрядных лазеров

Наверх