Устройство для накачки газового проточного лазера

 

Использование: изобретение относится к устройству импульсно-периодических лазеров с накачкой самостоятельным объемным разрядом и позволяет исключить коммутирующие элементы из основной цепи электропитания, что повышает КПД и упрощает конструкцию. Сущность изобретения: устройство содержит, кроме двух основных электродов 1,2, непосредственно подключенных к источнику энергопитания 4, расположенный между ними управляющий электрод 5, который подключен дополнительно к электрическому контуру 6,7 вместе с основными электродами, причем управляющий электрод может, например, делить расстояние между основными в соотношении 1:2, центральные части электродов выполнены из пластин 10, проекции которых на плоскость электродов образуют ячеистую квадратную структуру с диагоналями, повернутыми на угол относительно оптической оси резонатора. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройству возбуждения импульсно-периодических лазеров, и может быть использовано в решении технологических и лазерно-химических задач. Предпочтительно использовать предложенное устройство для лазерно-активных сред на основе XeCl, Ar-Xe и др.

Известно устройство для накачки газового проточного лазера самостоятельным объемным разрядом, в котором один из основных электродов подключен к источнику энергопитания через 27 искровых промежутков, расположенных вдоль его боковых сторон и являющихся системой предварительной ионизации области разряда, а другой основной электрод подключен к источнику энергопитания через тиратрон или разрядник. Кроме того, основные электроды непосредственно через минимальную индуктивность подключены к конденсаторной батарее. При срабатывании тиратрона или разрядника происходит пробой искровых промежутков и предварительная ионизация области разряда, а на конденсаторной батарее начинает нарастать напряжение и при его достаточной величине происходит пробой разрядного промежутка между двумя основными электродами и формируется объемный разряд для накачки лазера. Емкость конденсаторной батареи и время ее зарядки подбираются такими, чтобы до формирования объемного разряда практически полностью передать электрическую энергию из источника энергопитания в конденсаторную батарею. Электроды выполнены сплошными. Поток газовой лазерной среды формируется поверхностями электродов, контактирующими с разрядом, и направлен перпендикулярно вектору электрического поля в разрядном промежутке.

К недостаткам данного устройства следует отнести напряженный режим работы тиратрона или разрядника, которые коммутируют полную энергетику, запасенную в источнике энергопитания. При увеличении энергетики устройства возникают большие сложности с этими элементами. Кроме того, с увеличением энергетики время переброса энергии в конденсаторную батарею увеличивается, что приводит к режимам работы при напряжениях, близких к статическим пробойным напряжениям для данной конструкции и состава рабочей смеси, т.е. снижению коэффициента импульса и как следствие - к уменьшению удельной мощности ввода энергии.

Известно устройство для накачки газового лазера самостоятельным объемным разрядом, в котором один из основных электродов подключен непосредственно к источнику предварительного разряда, другой же основной электрод подключен к источнику энергопитания через магнитный коммутатор, а к источнику предварительного разряда подключен через управляемый разрядник. Источником предварительной ионизации является искровой скользящий разряд, размещенный с тыльной стороны сетчатого основного электрода, непосредственно подключенного к источнику энергопитания. Излучение разряда проходит через сетчатый электрод и ионизирует разрядный промежуток. После срабатывания источника предварительной ионизации и подключения к разрядному промежутку через управляемый разрядник источника предварительного разряда формируется слаботочная фаза объемного разряда. Ток разряда начинает увеличиваться и после достижения им величины тока насыщения магнитного коммутатора (насыщающегося дросселя) индуктивность коммутатора падает. В результате этого резко увеличивается разрядный ток и источник энергопитания эффективно разряжается на плазму объемного разряда.

К недостаткам этого устройства следует отнести конструктивные сложности, связанные с изготовлением и малоиндуктивным размещением магнитного коммутатора, рассчитанного на полную энергетику источника, снижение КПД устройства накачки из-за потерь электрической энергии в коммутаторе и неоптимальности формы токового импульса на разрядном промежутке. При увеличении энергии источника энергопитания эти недостатки проявляются сильнее.

Целью изобретения является повышение КПД устройства для накачки лазера самостоятельным объемным разрядом и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что для накачки газового проточного лазера, включающего два основных электрода, установленных параллельно и ограничивающих область электрического разряда, один из которых непосредственно подключен к источнику энергопитания, дополнительный электрический контур, подключенный к основным электродам, систему предварительной ионизации области разряда, устройство формирования потока газа в области разряда, другой основной электрод непосредственно подключен к источнику энергопитания, а между основными электродами параллельно им в области разряда установлен управляющий электрод, который подсоединен по крайней мере к одному основному электроду через конденсаторы дополнительного электрического контура.

Управляющий электрод делит расстояние между основными электродами в соотношении 1:2.

Устройство формирования потока газа в области разряда выполнено в виде сквозных отверстий в центральной части основных и управляющего электродов для прохождения неоднородного потока газа в направлении, перпендикулярном плоскостям электродов.

В другом варианте выполнения по крайней мере тело одного из основных электродов и тело управляющего электрода в области разрядов выполнено из пластин, расположенных перпендикулярно плоскости электрода, проекции которых на эту плоскость образуют квадратную ячеистую структуру с диагоналями ячеек, повернутыми относительно осевых линий электродов на угол Ψ= d/l, где d - расстояние между диагоналями соседних ячеек; l - длина пластинчатой части электродов, при этом система предварительной ионизации расположена с тыльной стороны основного электрода.

Указанные отличия позволяют исключить коммутирующие элементы - тиратроны, разрядники или насыщающиеся дроссели из электрической цепи, передающие полную энергетику устройства, что повышает КПД устройства и упрощает его конструкцию, особенно при увеличении энергетики устройства, а также улучшает надежность и ресурс работы устройства; оптимально, исходя из выбранных режимов работы, организовать движение газа в области разряда, снизить его расход и сопротивление газовому потоку, что увеличивает КПД устройства формирования потока газа в области разряда, а следовательно, и КПД устройства в целом.

На фиг. 1 изображено предложенное устройство при формировании потока газа в направлении, перпендикулярном плоскости электродов; на фиг.2 - то же, при движении потока газа параллельно плоскости электродов; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство содержит два установленных параллельно основных электрода 1 и 2, ограничивающих область 3 самостоятельного объемного разряда. Оба электрода 1 и 2 непосредственно подсоединены к источнику энергопитания 4 (конденсаторной батарее). Между основными электродами 1 и 2 параллельно им установлен управляющий 5 электрод, который вместе с одними или двумя основными электродами 1 и 2 подсоединен к дополнительному электрическому контуру, включающему конденсаторную батарею 6 и источник импульсного напряжения 7. Система предварительной ионизации 8 располагается за одним из основных электродов 1. Устройством формирования потока газа в области разряда в направлении, перпендикулярном плоскостям электродов 1,2,5 (фиг.1), являются отверстия 9 между пластинами 10 и дополнительные 11 отверстия, наличие которых необходимо в некоторых случаях. Ширина области 12, занятой пластинами 10, в 1,2-1,5 раза шире области разряда 3, а площадь отверстий 9 между пластинами 10 составляет 80-100% общей площади всех отверстий 9 и 11. Площадь дополнительных отверстий 11 может составлять до 20% площади.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Создается поток газовой смеси в области самостоятельного объемного разряда 3 с помощью устройства формирования потока газа. В первом варианте (см. фиг. 1) в направлении, перпендикулярном плоскостям электродов 1,2,5, с помощью отверстий 9 между пластинами 10 и дополнительных отверстий 11 в электродах 1,2,5.

Источник энергопитания устройства накачки газового лазера (конденсаторную батарею) заряжают до рабочего напряжения U_осн с помощью источника зарядки за время, меньшее времени между двумя последовательными импульсами накачки и генерации лазера. Напряжение U_осн составляет 80-95% от напряжения самопробоя газового промежутка между электродами 1 и 2. В случае, если управляющий электрод делит расстояние между основными и управляющим электродами в соотношении 1:2, на управляющем электроде синхронно во время зарядки основного источника энергопитания подают напряжение U_осн/3. После полной зарядки основного источника энергопитания 4 и дополнительного контура 6,7 включают систему предварительной ионизации 8. Затем с задержкой от нескольких десятков до сотен наносекунд (в зависимости от состава рабочей лазерной смеси) на управляющий электрод 5 подают высоковольтный импульс напряжения от источника импульсного напряжения 7, равный U_осн. В результате на первой стадии между электродами 1 и 5 формируется объемный разряд, а затем такой же разряд формируется между электродами 5 и 2 и происходит возбуждение лазерной среды самостоятельным объемным разрядом между электродами 1 и 2.

Рассмотрим конкретную схему реализации устройства на примере электроразрядного лазера на смеси Ne:Xe:HCl = 1500:20:1 с общим давлением 2-3 атм, реализованную во ВНИИЭФ. Расстояние между электродами 1 и 2 равно 33 мм. Расстояние между рабочими поверхностями управляющего электрода 5 и электродов 1 и 2 равно 20 и 10 мм. Длина зоны возбуждения составляет 600 мм. Ширина области 3 разряда 20-25 мм, ширина области 12; занятой пластинами 10, выполненными из никеля толщиной 0,3 мм, составляет 30 мм. Шаг пластинчатой структуры вдоль оптической оси составляет 1 мм. Система предварительной ионизации 8 выполнена из набора штырей диаметром 2 мм с расстоянием вдоль оптической оси ≈6 мм. Искры системы предварительной ионизации развиваются между штырями и тыльной, стороной электрода 1. Источником энергопитания 4 является конденсаторная батарея емкостью до 0,15 мкФ и напряжением зарядки до U_осн ≈ 4-10 кВ. Конденсаторную батарею 6 емкостью ≈ 3 нФ подсоединяют к электродам 1 и 5. Источником импульсного напряжения 7 является емкость ≈3 нФ, заряженная до напряжения 1,4 U_осн, которая с помощью разрядника коммутируется на земляную шину-электрод 2. Устройство формирования потока 2 и вентилятор создают в рабочем промежутке скорость газа ≈ 5 мс^-1, что позволяет работать с частотой ≈ 100 Гц. Энергия генерации составляет 0,2-0,35 Дж, а КПД до 1%.

Таким образом, в результате использования предлагаемого устройства может быть создан эксимерный лазер с помощью лазерного излучения до киловатта за счет отсутствия энергонапряженных элементов конструкции - коммутаторов в основной энергетической цепи, что позволяет дополнительно значительно повысить ресурс, надежность и КПД таких лазеров при одновременном упрощении конструкции.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАКАЧКИ ГАЗОВОГО ПРОТОЧНОГО ЛАЗЕРА, включающее два основных электрода, установленных параллельно и ограничивающих область электрического разряда, один из которых непосредственно подключен к источнику энергопитания, дополнительный электрический контур, подключенный к основным электродам, систему предварительной ионизации области разряда, устройство формирования потока газа в области разряда, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД устройства для накачки лазера самостоятельным объемным разрядом и упрощения его конструкции, другой основной электрод непосредственно подключен к источнику энергопитания, а между основными электродами параллельно им в области разряда установлен управляющий электрод, который подсоединен по крайней мере к одному основному электроду через конденсаторы дополнительного электрического контура.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляющий электрод делит расстояние между основными электродами в соотношении 1:2.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство формирования потока газа в области разряда выполнено в виде сквозных отверстий в центральной части основных и управляющего электродов для прохождения неоднородного потока газа в направлении, перпендикулярном к плоскостям электродов.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере тело одного из основных электродов и тело управляющего электрода в области разряда выполнены из пластин, расположенных перпендикулярно к плоскости электрода, проекции которых на эту плоскость образуют квадратную ячеистую структуру с диагоналями ячеек, повернутыми относительно осевых линий электродов на угол ϕ = d/l , где d - расстояние между диагоналями соседних ячеек, l - длина пластинчатой части электродов, при этом система предварительной ионизации расположена с тыльной стороны основного электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3