Импульсно-периодический проточный газоразрядный лазер

 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к импульсным газоразрядным лазерам. Импульсно-периодический проточный газоразрядный лазер содержит разрядную камеру. В ней размещены газопроницаемые электроды, подключенные к генератору накачки, и резонатор, оптическая ось которого перпендикулярна потоку газа и электрическому полю. Электроды подсоединены к дополнительному источнику постоянного напряжения, создающему коронный разряд. Электроды могут быть выполнены из материала с открытой пористой структурой, в электродах выполнены сквозные каналы с выходами на их рабочие поверхности. Каналы выполнены со следующим соотношением размеров: h ≪ φ ≪ d, где h - толщина стенок между каналами, мм; φ - поперечный размер канала, мм; d - расстояние между электродами, мм. Технический результат изобретения: упрощение конструкции, уменьшение габаритов, повышение ресурса, облегчение эксплуатации и повышение мощности лазера. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к импульсным газоразрядным лазерам, и может быть использовано для различных технологических нужд.

Известен газовый лазер, включающий источник накачки, заполненный рабочей смесью корпус, размещенный в нем разрядный промежуток, образованный электродами, и оптический резонатор. При этом рабочая поверхность одного из электродов выполнена газопроницаемой, например сетчатой или перфорированной (см. описание к патенту РФ 2141709, Н 01 S 3/22, 1999). Недостатком известного лазера является малый удельный энергосъем, получаемый при использовании лазера.

Известен проточный газовый лазер, содержащий разрядную камеру, размещенные в ней электроды, создающие разрядный промежуток, и оптический резонатор, ось которого размещена вдоль газового потока и электрического поля. При этом электроды, создающие разряд, выполнены в виде набора газопроницаемых анодов и набора катодов (см. описание к заявке ЕПВ 0180430, Н 01 S 3/03, 1986). Недостатками лазера являются сложность конструкции, большие габариты и неоднородность свойств газовой смеси в разрядном промежутке из-за расположения электродов.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является проточный газовый лазер, содержащий газоразрядную камеру, в которой размещены подключенные к генератору накачки газопроницаемые электроды, выполненные в виде решеток, блок предионизации в виде источника электронов и оптический резонатор, ось которого перпендикулярна потоку газа и электрическому полю (см. описание к патенту РФ 2065242, H 01 S 3/0977, 1996).

Недостатком известного лазера является сложность конструкции, заключающаяся в необходимости наличия блока предионизации и устройств для прокачки газовой смеси, что в свою очередь приводит к увеличению габаритов лазера, снижению ресурса работы, сложности в эксплуатации.

Заявляемый в качестве изобретения лазер направлен на упрощение конструкции, уменьшение габаритов, повышение ресурса, облегчение эксплуатации и повышение мощности.

Указанный результат достигается тем, что импульсно-периодический проточный газоразрядный лазер содержит разрядную камеру, размещенные в ней газопроницаемые электроды, подключенные к генератору накачки, и резонатор, оптическая ось которого перпендикулярна потоку газа и электрическому полю, при этом электроды подсоединены к дополнительному источнику постоянного напряжения, создающего между ними коронный разряд с обеспечением движения заряженных частиц в разрядном промежутке.

Указанный результат достигается также тем, что электроды выполнены из материала с открытой пористой структурой.

Указанный результат достигается также тем, что в электродах выполнены сквозные каналы с выходами на их рабочие поверхности.

Указанный результат достигается также тем, что каналы выполнены со следующим соотношением размеров: h<<φ< - поперечный размер канала, мм; d - расстояние между электродами, мм. Отличительными признаками заявляемого лазера являются: - подсоединение электродов к дополнительному источнику постоянного напряжения, создающего между ними коронный разряд с обеспечением движения заряженных частиц в разрядном промежутке; - выполнение электродов из материала с открытой пористой структурой; - выполнение в электродах сквозных каналов с выходами на их рабочие поверхности; - выполнение каналов с определенным соотношением размеров.

За счет снабжения лазера дополнительным источником постоянного напряжения, к которому подключают электроды, обеспечивается упрощение конструкции, т.к. в результате отпадает необходимость в блоке предионизации и средствах прокачки газа через разрядный промежуток между электродами.

Это обусловлено тем, что если на электроды подать постоянное высокое напряжение порядка нескольких киловольт, то между ними возникает коронный разряд, который, с одной стороны, создает необходимое количество заряженных частиц, т. е. создает предионизацию газовой среды, а с другой - вызывает движение газа в разрядном промежутке. При характерных для коронного разряда плотностях тока j≥10^-5 А/см² концентрация электронов, стекающих с поверхности коронирующего электрода в межэлектродное пространство, достигает значений n_e≥10⁹ см^-3. В условиях такой сильной предионизации форма катода не существенна для формирования объемного самостоятельного разряда, что позволяет использовать компактные электроды в виде прямоугольных пластин (с острыми или немного закругленными краями или любой другой формы).

Дрейф заряженных частиц, образующихся в коронном разряде, создает ток и заставляет двигаться газ в разрядном промежутке, вдоль направления тока. Движущийся газ, проникая через катод, вытекает из разрядного промежутка, а создающийся при этом градиент плотностей засасывает газ в разрядный промежуток со стороны анода. В результате устанавливается циркуляция газового потока "электрический ветер".

При отсутствии коронного разряда, обусловленного подачей постоянного напряжения на электроды и связанного с ним дрейфа заряженных частиц, обновление смеси в разрядном промежутке занимает большее время, чем при его наличии, что влияет на максимальную частоту следования импульсов.

В частных случаях реализации целесообразно выполнять электроды из материала с открытой пористой структурой. Тело такого электрода пронизано многочисленными пересекающимися между собой каналами, которые выходят на поверхность в виде отверстий или щелей с острыми кромками. Поэтому, если к разрядному промежутку приложено напряжение, то из-за резкого усиления поля вблизи острых кромок, у поверхности пористого электрода возникает коронный разряд.

В этом случае отпадает необходимость в использовании специальных средств для облегчения создания коронного разряда. К тому же, как установлено опытным путем, объемный разряд у поверхности электродов стягивается в катодные и анодные пятна, суммарная площадь которых намного меньше площади электродов. Наличие пористой поверхности также значительно сокращает площадь эмитирующей поверхности электродов. Поэтому в случае пористых электродов возникает более однородное распределение плотности тока по их рабочей части, а износ поверхности электродов становится более однородным, чем в случае цельнометаллических электродов. Кроме того, благодаря соприкосновению газа с разветвленной внутренней поверхностью пористого электрода, они одновременно служат в качестве эффективных теплообменников, в которых при необходимости можно создать принудительное охлаждение, что еще более упрощает конструкцию лазера.

Однако в большинстве случаев расположение пор на поверхности материала может носить хаотичный, нерегулярный характер, а часть каналов может оказаться несквозными, что приводит к повышению газодинамического сопротивления электродов и снижает эффективность газообмена в разрядном промежутке.

Поэтому, в частных случаях реализации предпочтительно использовать электроды со специально выполненными в них сквозными каналами с выходом на рабочую поверхность электрода. При этом сквозные каналы могут проходить через тело электрода перпендикулярно рабочим поверхностям или под углом к перпендикуляру и могут пересекаться между собой. Поперечное сечение каналов может быть любой формы - окружность, прямоугольник, многоугольник. В частных случаях, для обеспечения наибольшей однородности свойств газовой смеси в разрядном промежутке, целесообразно выполнять каналы с сечением, обеспечивающим полное заполнение плоскости электрода по принципу плотной (сотовой) упаковки так, чтобы толщина стенок между всеми каналами в месте их выхода на рабочую поверхность электрода была одинаковой.

Предлагаемое техническое решение испытывалось для накачки газовых лазеров на молекулах СО₂, N₂, HF, генерирующих в широком диапазоне ИК - УФ длин волн. Было установлено, что максимальная частота следования импульсов f_m, при которой осуществлялась устойчивая и наиболее эффективная работа лазера, зависит от ряда параметров (состава газовой смеси, величин удельного энерговклада и напряжения коронного разряда, от соотношения размеров каналов в электродах, толщины стенок между ними и расстояния между электродами). При прочих равных условиях оптимальным является соотношение, когда толщина стенок между каналами (h) много меньше поперечного размера каналов φ), а поперечный размер каналов много меньше расстояния между электродами (d), т. е. h<<φ<<d (например, при d~1 см, φ~1 мм, h~0,1 мм).

Сущность заявляемого лазера поясняется примером его реализации и чертежами. На фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемого лазера; на фиг.2 - частные случаи реализации электродов для разрядного промежутка: а - вид сбоку с частичным разрезом; б, в - вид на рабочую поверхность электрода.

В общем случае лазер содержит разрядную камеру 1, внутри которой на расстоянии d друг от друга расположены идентичные газопроницаемые электроды - катод 2 и анод 3, образующие разрядный промежуток. Электроды могут быть выполнены, например, в виде решеток или других известных форм. Для облегчения создания коронного разряда они могут снабжаться иглами (см. Физический энциклопедический словарь. Москва, "СЭ", 1983, с.311-312). В разрядной камере размещается оптический резонатор, образованный зеркалами 4 и 5, одно из которых глухое, а другое полупрозрачное. Оптическая ось резонатора перпендикулярна электрическому полю и направлению потока газа. Электроды подсоединены через ключ 6 к генератору накачки 7, выбранному из числа известных, и через балластное сопротивление 8 к источнику постоянного напряжения U.

В общем случае лазер работает следующим образом. Разрядная камера 1 заполняется рабочей газовой смесью. На электроды 2 и 3 от источника постоянного напряжения U через балластное сопротивление 8 подается напряжение, необходимое для возникновения коронного разряда. Ток коронного разряда обеспечивает начальную предионизацию и заставляет двигаться газ в разрядном промежутке вдоль направления тока. Движущийся газ, проникая сквозь газопроницаемый катод 2, вытекает из разрядного промежутка, а создающийся при этом градиент плотностей возвращает газ в разрядный промежуток со стороны анода 3. В результате устанавливается циркуляция газового потока, направленная перпендикулярно рабочим поверхностям электродов ("электрический ветер") и оптической оси резонатора. При подаче импульса напряжения от генератора накачки 7 через ключ 6 в разрядном промежутке зажигается объемный самостоятельный разряд, производящий накачку активной среды, а в резонаторе формируется импульс лазерного излучения.

В частных случаях реализации электроды выполняют из материала с открытой пористой структурой, например так называемых губчатых металлов, получаемых известным методом, когда поры формируют в процессе получения сплава. В качестве материала электродов могут использовать различные жаропрочные металлы, стали и сплавы (молибден, железоникелевые сплавы и т.д.).

В частных случаях электроды изготавливаются с искусственно выполняемыми сквозными каналами 9, разделяемыми стенками 10. При этом электроды могут иметь совершенно различную внутреннюю структуру, например трубчатую, в виде сотовых ячеек, объемных решеток, лезвий и т.д.

Работа лазера с различными вариантами выполнения электродов осуществляется так же, как и в общем случае.

Конструкция рассмотренного лазера позволяет довольно легко организовать дополнительное охлаждение газовой смеси, например, с помощью жидкого теплоносителя, циркулирующего по змеевикам, проложенным внутри электродов (на чертежах не показаны).

Таким образом, в предлагаемом лазере пара электродов обеспечивает не только формирование разрядного промежутка, но и выполняет функции блока предионизации, средства для прокачки газа через разрядный промежуток и является теплообменником, охлаждающим рабочую смесь. Несомненным достоинством заявляемого устройства является возможность наращивания энергии и мощности лазеров за счет увеличения площади электродов S при сохранении небольшого размера d~ 1 см. В этом случае значительно снижается уровень напряжений накачки (до десятков киловольт), а следовательно, повышаются безопасность и ресурс работы по сравнению с лазерами, у которых d~10 см.

Устройство удобно также использовать в лазерах, автономно работающих в "отпаянном" режиме. Простые оценки показывают, что для создания такого СO₂-лазера со средней мощностью 500 Вт (f=50 Гц) и удельной мощностью 0,5 Вт/см³ необходим разрядный промежуток с размерами 1•10•100 см³. Указанные характеристики сопоставимы с характеристиками "отпаянного" CO₂-лазера с СВЧ-накачкой, недавно разработанного фирмой "Coherent" (см. G. Dunham. "Sealed CO₂-lasers enter the high power arena". Laser Focus World. March, p. 105-110, 1999).

Формула изобретения

1. Импульсно-периодический проточный газоразрядный лазер, содержащий разрядную камеру, размещенные в ней газопроницаемые электроды, подключенные к генератору накачки, и резонатор, оптическая ось которого перпендикулярна потоку газа и электрическому полю, отличающийся тем, что электроды подсоединены к дополнительному источнику постоянного напряжения, создающего между ними коронный разряд с обеспечением движения заряженных частиц в разрядном промежутке.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены из материала с открытой пористой структурой.

3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в электродах выполнены сквозные каналы с выходами на их рабочие поверхности.

4. Лазер по п. 3, отличающийся тем, что каналы выполнены со следующим соотношением размеров: h<<φ< φ - поперечный размер канала, мм;
d - расстояние между электродами, мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2