Устройство для возбуждения разряда атмосферного давления в газовом лазере

 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания импульсных газовых лазеров атмосферного давления. Электроды предлагается спрофилировать так, чтобы протяженность рабочего участка электрода с профилем Эрнста соответствовала по ширине величине межэлектродного расстояния d₀. К нему примыкают по касательной с обеих сторон участки электрода с радиусом закругления 1,3d₀ и шириной 0,75d₀. Периферийные рабочие участки сопряжены с предыдущими до закругления электрода радиусом кривизны 0,3d₀. Тыльная поверхность, примыкающая к периферийному рабочему участку электрода, имеет радиус кривизны 0,1d₀. Рабочая часть электродов может быть выполнена с полой областью, накрытой металлической сеткой. Технический результат - повышение эффективности вклада электрической энергии в разрядный объем и увеличение кпд лазера при упрощении формы разрядных электродов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания импульсных газовых лазеров атмосферного давления.

Известно устройство [1], в котором оптимальная форма электродов достигалась экспериментально, при этом как исходный профиль использовался таковой, рассчитанный по Чангу с коэффициентом k₀=0,03-0,04, то есть с шириной w≈2,5d, где d - межэлектродное расстояние. Затем центральная часть электродов корректировалась плоской формой в различной степени (с различной шириной) в зависимости от результатов измерений распределения плотности лазерной энергии в поперечном сечении разряда. Таким образом достигалась форма электродов, при которой газовый разряд сосредоточен примерно в квадратном сечении и распределение энергии более однородно, чем в устройстве с электродами, рассчитанными без учета реальных физических процессов (профили Роговского, Брюса, Чанга или Эрнста).

Недостатком устройства является сложность изготовления электродов и отсутствие универсальности в случае масштабирования (изменения) размеров межэлектродного промежутка, поскольку операция изготовления строго не формализована.

Известно устройство для возбуждения разряда атмосферного давления в импульсном газовом лазере, содержащее профилированные симметрично относительно поперечной оси электроды, выполненные полностью по профилю Эрнста [2]. Профиль электродов рассчитан так, чтобы распределение поля между ними в отсутствии протекания тока было максимально однородно при минимальной ширине электродов. Такой профиль с коэффициентом k₀=0,02 предлагается как наиболее компактный из рассчитанных подобным образом (профили Роговского, Брюса, Чанга) и при этом обеспечивающий однородность электрического поля до момента протекания разряда.

Недостатком устройства является во-первых, приближенность расчета, не учитывающая реальные процессы в газовом разряде (в первую очередь влияние объемного заряда из-за протекания тока), во-вторых, большая ширина электрода, которая в три раза больше межэлектродного промежутка. Это, в свою очередь, ограничивает эффективность использования активного объема разряда и снижает кпд устройства из-за большой ширины разряда для широкого круга лазерных задач, когда используется аксиально симметричное распределение излучения (круглое сечение пучка) и наиболее эффективным является квадратное сечение разряда с однородным распределением энерговклада.

Техническим результатом предлагаемого устройства является простота изготовления и универсальность формы электродов для различных межэлектродных расстояний с сохранением однородности энерговклада при близком к квадратному сечению разряда, что увеличивает эффективность использования активного объема разряда и повышает кпд устройства, а также предотвращение возникновения паразитной генерации в лазерах с большими активными объемами.

Этот результат достигается за счет того, что в известном устройстве для возбуждения разряда атмосферного давления в импульсном газовом лазере, содержащем профилированные по сечению симметрично относительно поперечной оси электроды, центральный рабочий участок поперечного сечения каждого из которых имеет профиль Эрнста с коэффициентом k₀=0,02, предложено спрофилировать электроды так, что протяженность рабочего участка с профилем Эрнста соответствует по ширине величине межэлектродного расстояния ₀ и к нему примыкают по касательной с обеих сторон участки электрода с радиусом закругления 1,3d₀ и шириной 0,75d₀, a периферийные рабочие участки сопряжены с предыдущими до закругления электрода радиусом кривизны, равным 0,3d₀, при этом тыльная поверхность, примыкающая к периферийному рабочему участку электрода, имеет радиус кривизны 0,1d₀. Электрод в центральной части может иметь полость, а рабочий участок с профилем Эрнста выполнен в виде металлической сетки.

Существо предложения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 показано поперечное сечение электрода, а на фиг.2 в аксонометрии приведен общий вид электрода с закрытой сеткой полостью.

Устройство для возбуждения разряда атмосферного давления в импульсном газовом лазере содержит два профилированных электрода, подключенных к импульсному источнику питания.

Оба электрода, расположены на расстоянии d₀ и имеют одинаковую форму. В поперечном сечении (фиг.1) электрод симметричен относительно оси Y. При этом центральный рабочий участок в зоне 1 электрода с шириной w=d₀ совпадает по форме с профилем Эрнста, вычисленным с коэффициентом k₀=0,02. В зонах 2 электрода (фиг. 1), примыкающих с обеих сторон к зоне 1, рабочий профиль поперечного сечения электрода выполнен с радиусом R₁= 1,3d₀ и имеет ширину 0,75d₀. Периферийные участки электрода в зонах 3 имеют радиус кривизны R₂= 0,3d₀, а тыльная поверхность 4 электрода, примыкающая к рабочему участку, имеет радиус кривизны R₃=0,1d₀. Все участки сопряжены друг с другом по касательным. В одном из вариантов рабочая часть электродов с шириной, совпадающей с Эрнстовским профилем, выполняется из металлической сетки 5 (см. фиг. 2) с высокой прозрачностью, опирающейся на каркас, собранный из тонких профилированных ребер и закрепленных на сплошной части электрода 6. Выполнение рабочей части электродов в виде сетки позволяет получить дополнительные качества: во-первых, снизить вес электрода, во-вторых, упростить изготовление профиля, в-третьих, существенно снизить коэффициент отражения лазерного излучения от электродов. Последнее является принципиальным для создания лазерных усилителей большого объема, где максимально возможный коэффициент усиления излучения ограничивается возникновением паразитной генерации между поверхностями металлических электродов, а порог этой генерации определяется коэффициентом отражения электродов при прочих равных условиях.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на электроды в отсутствии разряда в межэлектродном промежутке формируется некоторое распределение электрического поля, которое при развитии тока разряда изменяется таким образом, что обеспечивает однородный вклад энергии в разряд с поперечным сечением, близким к квадратному. Таким образом достигается максимальный кпд использования энергии, вложенной в разряд, для лазеров с аксиально симметричным распределением излучения. При этом разрядные электроды имеют минимальную ширину w=2d₀ и форму, универсальную для различных межэлектродных расстояний.

Работоспособность устройства проверена для различных межэлектродных промежутков при возбуждении самостоятельного разряда в газовых смесях CO₂/N₂/He атмосферного давления.

Источники информации 1. Akira Ishii, Yuji Okita, Koichi Yasuoka, Tohru Tamagawa, Satoshi Nakagama and Iwao Ohshima. Uniform field electrodes for high-power and high-repetition TEA-CО2 lasers. Jpn. J. Phys., v.32, Part.l, 1а, р.88-92, 1993.

2. Gerard J. Ernst. Uniform-field electrodes with minimum width. Optics communications, v.49, 4, p.275-277, 1984.

Формула изобретения

1. Устройство для возбуждения разряда атмосферного давления в импульсном газовом лазере, содержащее профилированные по сечению симметрично относительно поперечной оси электроды, центральный рабочий участок поперечного сечения каждого из которых имеет профиль Эрнста с коэффициентом k₀= 0,02, отличающееся тем, что протяженность рабочего участка электрода с профилем Эрнста соответствует по ширине величине межэлектродного расстояния d₀ и к нему примыкают по касательной с обеих сторон участки электрода с радиусом закругления 1,3d₀ и шириной 0,75d₀, а периферийные рабочие участки сопряжены с предыдущими до закругления электрода радиусом кривизны 0,3d₀, при этом тыльная поверхность, примыкающая к периферийному рабочему участку электрода, имеет радиус кривизны 0,1d₀.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электрод в центральной части имеет полость, а рабочий участок с профилем Эрнста выполнен в виде металлической сетки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2