Импульсный газовый лазер на смесях инертных газов с галогенидами

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсным газоразрядным лазерам на смесях инертных газов с галогенидами. Лазер содержит лазерную камеру, заполненную газовой смесью, с резонатором и электродами с подключенным к ним полупроводниковым прерывателем тока, источник предыонизации. Основной разрядный контур включает конденсатор (C₁), коммутатор (К₁), соединительные потенциальные и заземленные шины, образующие индуктивность основного разрядного контура (L₁), вспомогательный разрядный контур с конденсатором (С₂), коммутатором (К₂), индуктивностью вспомогательного разрядного контура (L₂). Лазер содержит источники высокого напряжения для зарядки конденсаторов и систему синхронного включения коммутаторов. В основном разрядном контуре выделена корректирующая индуктивность (L_корр), параллельно которой включен корректирующий конденсатор (С_корр), удовлетворяющие соотношениям L₁= L₁ ¹+L_корр; L_корр= 0,32хL₁ ¹; и С_корр= (0,36-0,55)хC₁. Технический результат изображения состоит в увеличении длительности лазерного импульса. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для увеличения длительности импульсов излучения лазеров на смесях инертных газов с галогенидами.

Известны газовые лазеры с импульсами излучения большой длительности, возбуждаемые двойным разрядом [1, 2]. Обычно в генераторах накачки таких лазеров используются импульсные формирующие линии. К недостаткам таких лазеров можно отнести большие размеры и низкую надежность формирующих линий.

Также известны газовые лазеры, в которых для получения импульсов тока накачки, близких к прямоугольным, и увеличения длительности импульса излучения в генератор накачки включены дополнительные корректирующие емкость и индуктивность [3] . При этом величины дополнительных емкостей и индуктивностей выбирались из известных соотношений С_корр=0,66хC₁, L_корр =0,32хL₁, где C₁ и L₁ - емкость и индуктивность цепи генератора накачки [4]. Однако введение в разрядный контур дополнительной индуктивности значительно увеличивает длительность импульса накачки и не может быть использовано в лазерах на смесях инертных газов с галогенидами из-за контрагирования разряда.

Наиболее близким по техническому решению является выбранный в качестве прототипа лазер на смесях инертных газов с галогенидами, возбуждаемый двойным разрядом [5] . Для инициирования разряда в прототипе используется предымпульс, формируемый индуктивным накопителем энергии и полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов (от англ. Semiconductor Opening Switch). Прототип содержит лазерную камеру, заполненную газовой смесью, с резонатором и электродами, к которым подключен полупроводниковый прерыватель тока, источник предыонизации; основной разрядный контур, включающий конденсатор C₁, коммутатор K₁ и индуктивность основного разрядного контура l₁, соединительные потенциальные и заземленные шины, вспомогательный разрядный контур, включающий конденсатор С₂, коммутатор К₂, индуктивность вспомогательного контура L₂; источники высокого напряжения для зарядки конденсаторов и систему синхронного включения коммутаторов K₁ и К₂. Основной и дополнительный контуры подключены параллельно электродам. Недостатком прототипа является малая длительность импульсов излучения, в первую очередь, на полувысоте.

Задачей изобретения является увеличение длительности импульсов излучения лазера на смесях инертных газов с галогенидами.

Поставленная задача достигается тем, что в известном лазере на смесях инертных газов с галогенидами, содержащем лазерную камеру, заполненную газовой смесью, резонатор и электроды с подключенным к ним полупроводниковым прерывателем тока, источник предыонизации; основной разрядный контур с конденсатором С₁, коммутатором К₁, соединительные потенциальные и заземленные шины, образующими индуктивность основного разрядного контура L₁; вспомогательный разрядный контур с конденсатором С₂, коммутатором К₂, а также индуктивностью вспомогательного разрядного контура L₂; источники высокого напряжения для зарядки конденсаторов и систему синхронного включения коммутаторов. Согласно изобретению в основной контур лазера включен дополнительный конденсатор С_корр, а индуктивность основного разрядного контура L₁ разбит на две индуктивности L₁ ¹ и L_корр (L₁=L₁ ¹+L_корр), при этом выделенная индуктивность L_кopp присоединена параллельно дополнительному конденсатору L_корр . Величины L₁ ¹ и L_корр связаны соотношениями L_корр =0,32хL₁ ¹, а величина дополнительной емкости лежит в диапазоне L_корр =(0,36-0,55)хC₁.

При этом конденсатор C₁ состоит из двух одинаковых конденсаторных секций и обе секции охвачены общими потенциальной металлической и заземленной металлической шинами, которые соединены с соответствующими выводами коммутатора K₁ и являются частью индуктивности L₁.

Кроме того, конденсатор L_корр и индуктивность L_корр также выполнены из двух одинаковых секций, один из выводов которых соединен с коммутатором K₁, а второй с заземленной металлической шиной, а величины емкости конденсатора С₂ и индуктивности L₂ во вспомогательном разрядном контуре связаны соотношением π(L₂C₂)^1/2 = τ, где τ = π(L₁C₁)^1/2 - длительность импульса тока разряда емкости основного разрядного контура C₁ через лазерный промежуток.

Полученный эффект увеличения длительности импульса излучения лазера на смесях инертных газов с галогенидами обусловлен коррекцией импульса тока основного разрядного контура дополнительным конденсатором L_корр и индуктивностью L_корр без увеличения длительности разряда конденсатора C₁ через лазерный промежуток. Наиболее явно полезный эффект проявляется при C_корр = 0,36-0,55)хC₁ и L_корр =0,32хL₁ ¹ и выполнении конденсатора основного контура C₁ и дополнительного конденсатора C_корр и индуктивности L_корр из двух секций и при выборе величин конденсатора C₂ и индуктивности L₂ вспомогательного контура из соотношения π(L₂C₂)^1/2 = τ. На фиг.1 изображен предлагаемый лазер на смесях инертных газов с галогенидами.

Электроды лазера 1, 2 располагались в цилиндрической лазерной камере 3, отделенной от генератора накачки пластиковым изолятором 4. Активный объем лазера составлял V= 1,5х4х100см³=600 см³ при межэлектродном зазоре d=4 см. Для предыонизации использовалось 96 искровых промежутков 5, расположенных равномерно с двух сторон анода 1 и соединенных с конденсаторами подсветки 6. Основной разрядный контур состоял из конденсатора C₁=550 нФ, коммутатора K₁, заземленных 7 и потенциальных 8 шин и имел индуктивность L₁=57 нГн. В качестве полупроводникового прерывателя тока использовались 12 специальных SOS-диодов 9. Вспомогательный контур состоял из конденсатора С₂=37 нФ, коммутатора К₂. Для синхронного запуска коммутатора K₁ устанавливался стартовый конденсатор 12 и линия задержки 13. Индуктивность вспомогательного контура составляла L₂= 850 нГн. В основной разрядный контур включен дополнительный конденсатор С_корр и параллельно им индуктивность L_корр . Лазерная камера заполняется газовой смесью Ne: Хе: НСl=2 атм: 10:1 Торр. Резонатор лазера состоял из зеркал с коэффициентами отражения 100 и 20%.

Предлагаемый лазер работает следующим образом. Конденсатор ₁ заряжается до напряжения U₁≅2U_S= +20 кВ, где U_S - напряжение в квазистационарной фазе разряда, а конденсаторы 2 и 14 заряжаются до напряжения U₂=-30 кВ от источников высокого напряжения через резисторы 11. После срабатывания коммутатора К₂ через SOS-диоды 9 пропускается ток в прямом направлении в течение 500 нc. Через 500 нc от конденсатора 12 через линию задержки 13 на коммутатор K₁ подается запускающий импульс. Коммутатор K₁ замыкается и через SOS-диоды 9 начинает протекать ток обратной полярности. Через 100 нc ток через диоды обрывается. В момент обрыва тока SOS-диодами на лазерном промежутке возникает импульс напряжения с амплитудой U=L₁xdI/dt~60 кВ, где dI/dt - скорость обрыва тока, вызывающий пробой межэлектродного промежутка и формирующий объемный разряд в промежутке между электродами 1 и 2. После пробоя промежутка между электродами 1 и 2 конденсатор основного контура C₁ обеспечивает накачку активной среды лазера на смесях инертных газов с галогенидами. Кроме того, конденсатор дополнительного контура С₂ также начинает разряжаться через межэлектродный промежуток.

На фиг.2 приведены осциллограммы импульсов тока в основном контуре, напряжения на промежутке между электродами и лазерного излучения, полученные в прототипе. Ток в основном контуре включается в момент t=0. Через 100 нc начинается обрыв тока SOS-диодами 9 и на промежутке между электродами 1 и 2 возникает импульс высокого напряжения с амплитудой более 60 кВ, который формирует объемный разряд в активной среде лазера на смесях инертных газов с галогенидами. Затем емкость C₁ основного контура разряжается через лазерный промежуток в течение 550 нc.

Лазерный импульс повторяет синусоидальную форму тока разряда и имеет длительность на полувысоте 220 нc при полной длительности 380 нc.

На фиг. 3 приведены импульсы тока разряда емкости C₁ основного контура через промежуток между электродами, полученные в прототипе (1) и в предлагаемом лазере на смесях инертных газов с галогенидами при установке в основном разрядном контуре дополнительного конденсатора C_корр=0,45хC₁=250 нФ и параллельно им индуктивности L_корр =0,32хL₁ ¹=14 нГн (2), а на фиг.4 показан импульс лазерного излучения, полученный при использовании предлагаемого технического решения. Из данных рисунков видно, что использование предлагаемого технического решения увеличивает скорость роста тока разряда и, соответственно, вводимую в активную среду лазера электрическую мощность сразу после пробоя промежутка между электродами 1 и 2. Также увеличивается вводимая мощность в конце импульса тока разряда емкости C₁. Эти факторы сокращают время запаздывания появления лазерной генерации и увеличивают интенсивность лазерного излучения в конце импульса тока разряда емкости C₁ в предлагаемом лазере по сравнению с прототипом. В результате длительности импульсов лазерного излучения на полувысоте увеличиваются на 30% с 230 до 300 нc. Полная длительность импульсов лазерного излучения также возрастает на 20% с 380 до 450 нc. Увеличение длительности импульса излучения лазера на смесях инертных газов и галогенидов наблюдалось при изменении величины C_кopp в пределах C_кopp=(0,36-0,55)хC₁ и величине L_корр =0,32хL₁ ¹.

Конструктивно конденсатор C₁ состоит из двух одинаковых секций, охваченных общими заземленной 7 и потенциальной 8 металлическими шинами, которые соединены с разными выводами коммутатора K₁. При этом шины являются частью индуктивности основного контура L₁.

Конденсатор С_коpp и индуктивность L_корр также выполнены из двух одинаковых секций, один из выводов которых соединен с заземленным электродом коммутатора K₁, а второй - с заземленной металлической шиной 7.

Величины емкости и индуктивности С₂ и L₂ во вспомогательном разрядном контуре должны быть выбраны из условия равенства периодов тока разряда конденсаторов С₁ и С₂ из следующего соотношения: π(L₂C₂)^1/2 = τ. Это требование связано с тем, что после обрыва тока SOS-диодами конденсатор С₂ разряжается через межэлектродный промежуток лазера. При несовпадении периодов тока конденсаторов C₁ и С₂ происходит искажение импульса тока разряда и снижение длительности импульса излучения лазера. Кроме того, при равенстве периодов энергия, оставшаяся в конденсаторе С₂ к моменту обрыва тока диодами 9, вкладывается в активную среду лазера, что приводит к увеличению эффективности работы лазера на смесях инертных газов и галогенидов.

Источники информации 1. Long W.H., Plummer J., Stappaerts E.A. et al. Appl. Phys. Lett. Vol. 43, p.735, 1983.

2. Taylor R.S. and Leopold K. E.J. Appl. Phys. Vol.65, p.22, 1989.

3. Аполлонов В. В., Бункин Ф.В., Бычков Ю.И. и др.. Квантовая электроника, т.8, 6, с.1331, 1981.

4. Детали и элементы радиолокационных станций, М.: Советское Радио, под ред. А.Я. Брейтбарта, 1952.

5. Бакшт Е.Х., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Квантовая электроника, т. 30, 6, с.506, 2000.

Формула изобретения

1. Импульсный газовый лазер на смесях инертных газов с галогенидами, содержащий лазерную камеру, заполненную газовой смесью, с резонатором и электродами с подключенным к ним полупроводниковым прерывателем тока, источник предыонизации, основной разрядный контур с конденсатором (C₁), коммутатором (k₁) и соединительными потенциальными и заземленными шинами, образующими индуктивность основного разрядного контура (L₁), вспомогательный разрядный контур с конденсатором (С₂), коммутатором (К₂), индуктивностью вспомогательного разрядного контура (L₂), источники высокого напряжения для зарядки конденсаторов и систему синхронного включения коммутаторов, отличающийся тем, что в основном разрядном контуре выделена корректирующая индуктивность (L_корр), параллельно которой дополнительно включен корректирующий конденсатор (C_корр), величины которых удовлетворяют соотношениям: L₁= L₁ ¹+L_корр; L_корр= 0,32•L₁ ¹; С_корр= (0,36-0,55)•C₁.

2. Импульсный газовый лазер на смесях инертных газов с галогенидами по п. 1, отличающийся тем, что конденсатор основного разрядного контура (C₁) состоит из двух одинаковых конденсаторных секций и обе секции охвачены общими потенциальной и заземленной металлической шинами, которые соединены с соответствующими выводами коммутатора (K₁) и являются частью индуктивности основного разрядного контура (L₁).

3. Импульсный газовый лазер на смесях инертных газов с галогенидами по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что корректирующий конденсатор и корректирующая индуктивность выполнены из двух одинаковых секций, один из выводов которых соединен с коммутатором K₁, а второй с заземленной металлической шиной.

4. Импульсный газовый лазер на смесях инертных газов с галогенидами по пп. 1-3, отличающийся тем, что величины конденсатора (С₂) и индуктивности (L₂) во вспомогательном разрядном контуре выбраны из следующего соотношения π(L₂C₂)^1/2 = τ, где τ = π(L₁C₁)^1/2 - длительность импульса разряда конденсатора основного разрядного контура (C₁) через разрядный промежуток лазера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4