Способ формирования объемного разряда в импульсно- периодическом газовом лазере и устройство для его реализации
Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к импульсно-периодическим лазерам с поперечным разрядом, в том числе замкнутого цикла. Предложен способ формирования объемного разряда в импульсно-периодическом газовом лазере замкнутого цикла, включающий подачу импульса высокого напряжения на лезвийные электроды, прокачку рабочей газовой смеси через область объемного разряда в направлении, перпендикулярном току электрического разряда и оси оптического резонатора. А также гашение акустических колебаний в газовой смеси, распространяющихся вверх и вниз по потоку газовой смеси и параллельно оси оптического резонатора лазера. При этом в межлезвийных пространствах электродов до полного затухания подавляют акустические волны, распространяющиеся в направлении разрядного тока. Устройство включает генератор импульсного напряжения, рабочую камеру, боковые стенки которой наклонены к оси оптического резонатора и навстречу друг другу, лезвийные электроды, систему прокачки рабочей газовой смеси, сетки, установленные по потоку газа до и после рабочей камеры. при этом лезвия электродов с прямоугольной или треугольной или трапециевидной формой в сечении установлены с наклоном к направлению разрядного тока. Технический результат: увеличение предельной частоты следования лазерных импульсов, увеличение средней выходной мощности лазера, улучшение диаграммы направленности излучения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники.
Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к импульсно-периодическим газовым лазерам с поперечным разрядом, в том числе замкнутого цикла, и может быть использовано при разработке импульсно-периодических газовых лазеров, применяемых в технологических операциях, медицине и экологии.
Уровень техники.
Каждый высоковольтный импульс инициирования рабочей газовой смеси сопровождается возникновением тепловой газовой “пробки” в разрядном промежутке лазера, при расширении которой появляются ударные и акустические волны, приводящие к флуктуации плотности и показателя преломления газовой смеси. С ростом частоты повторения импульсов инициирования влияние ударных и акустических волн приводит к разрядной неустойчивости, и для конкретной разрядной системы лазера существуют предельные частота повторения импульсов инициирования и энергия генерации в отдельном импульсе, тем самым, ограничивается средняя мощность и снижается технический КПД лазера. Подавление акустических колебаний в газовой смеси за время между импульсами и облегчение условий формирования объемного разряда позволит достигнуть предельных частот повторения импульсов, увеличить среднюю мощность лазера и улучшить направленность излучения.
Известен способ формирования объемного самостоятельного разряда в импульсно-периодическом СО2-лазере, включающий подачу импульсного электрического напряжения на электроды рабочей камеры и прокачку рабочей газовой смеси через область разряда в направлении, перпендикулярном току электрического разряда [1].
Устройство для реализации этого способа [1] представляет собой импульсно-периодический лазер замкнутого цикла, выполненный в виде рабочей камеры с резонатором, генератором импульсного напряжения и с системой, обеспечивающей прокачку газов через область разряда.
Недостатком данного способа формирования объемного разряда и устройства для его реализации является то, что в момент каждого разряда в рабочей газовой среде лазера возникают ударные волны и сопровождающие их акустические колебания, которые вызывают флуктуации плотности и показателя преломления газовой смеси, ведущие к неустойчивости формирования разряда и ухудшению направленности излучения.
Известен способ формирования объемного разряда в импульсно-периодическом лазере [2], в котором по сравнению со способом [1] осуществляют ослабление акустических колебаний по потоку газовой смеси и вдоль оси оптического резонатора.
Этот способ формирования разряда реализован в устройстве, описанном в работе [2], в котором по сравнению с устройством [1] в рабочую камеру введены участки стенок, хорошо поглощающие акустические колебания, распространяющиеся параллельно оси оптического резонатора.
Недостатком данного способа формирования объемного разряда и устройства для его реализации является подавление акустических колебаний лишь в двух направлениях их распространения - вверх и вниз по потоку газовой смеси и параллельно оси оптического резонатора лазера.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и выбранным в качестве прототипа является способ формирования объемного разряда и устройство для его реализации, предложенные в работе [3].
Способ формирования объемного разряда [3] включает подачу импульса высокого напряжения на электроды рабочей камеры, прокачку рабочей газовой смеси через область объемного разряда в направлении, перпендикулярном току электрического разряда и оси оптического резонатора, а также гашение акустических колебаний, распространяющихся вверх и вниз по потоку рабочей смеси и вдоль оси оптического резонатора.
Устройство для формирования объемного разряда [3] включает генератор импульсного напряжения, рабочую камеру с лезвийными электродами, систему, обеспечивающую прокачку рабочей газовой смеси через область разряда, сетки, установленные по потоку газовой смеси до и после разрядного промежутка, и боковые стенки камеры, наклоненные к оси оптического резонатора навстречу друг другу под углом ~ 30
.
Благодаря этому удалось частично устранить влияние акустических колебаний на однородность разряда и улучшить условия его формирования.
Недостатком прототипа является наличие ударных волн и акустических колебаний, вызванных импульсно-периодическим инициированием газовой смеси и распространяющихся в направлении разрядного тока от электрода к электроду.
Задачей изобретения является создание способа формирования объемного разряда и устройства для его реализации, обеспечивающих подавление акустических колебаний, сопровождающих импульсно-периодическое инициирование рабочей газовой смеси и распространяющихся из разрядного промежутка во всех направлениях.
Техническим результатом в заявленном способе и устройстве является повышение предельной частоты следования импульсов генерации, увеличение средней выходной мощности лазера и улучшение диаграммы направленности излучения.
Технический результат в заявляемом способе достигается тем, что в способе формирования объемного разряда в импульсно-периодическом газовом лазере, включающем подачу импульса высокого напряжения на лезвийные электроды, прокачку рабочей газовой смеси через область объемного разряда в направлении, перпендикулярном току электрического разряда и оси оптического резонатора, гашение акустических колебаний вверх и вниз по потоку газовой смеси и параллельно оси оптического резонатора, новым является то, что дополнительно в межлезвийных пространствах электродов до полного затухания подавляют акустические волны, распространяющиеся в направлении разрядного тока от электрода к электроду.
Технический результат в заявляемом устройстве достигается тем, что в устройстве для формирования объемного разряда в импульсно-периодическом газовом лазере, включающем генератор импульсного напряжения, рабочую камеру, боковые стенки которой наклонены к оси оптического резонатора и навстречу друг другу, лезвийные электроды, систему, обеспечивающую прокачку рабочей газовой смеси через область разряда, сетки, установленные по потоку газовой смеси до и после разрядного промежутка, новым является то, что лезвия электродов с прямоугольной или треугольной или трапециевидной формой в сечении установлены с наклоном к направлению разрядного тока, при этом угол наклона 
и характерные размеры лезвий - средняя толщина лезвия а, шаг расположения лезвий b и высота лезвий h связаны соотношением
arctg((b-a)/h)
<30.
Для лезвий любой формы в сечении его размеры и угол наклона определяются из условия того, чтобы акустические волны не выходили из межэлектродных пространств электродов без нескольких отражений. В тоже время наклон лезвий не должен быть слишком большим, чтобы не приводить к заметному нарушению однородности электрического поля в большей части разрядного промежутка. Максимальное значение определяется соответствующими электростатическими расчетами и уточняется экспериментально. При этом суммарный объем межлезвийных пространств должен быть достаточен для расширения в нем тепловой газовой “пробки”. Экспериментально найдено, что он должен быть 40-50% от объема активного межэлектродного пространства, в котором локализуется объемный разряд.
В зависимости от конкретного назначения устройства и размеров активного объема разрядного промежутка лезвия могут крепиться к металлической пластине или составлять с ней одно целое или крепиться к изоляционной пластине в случае раздельной подачи высоковольтных импульсов на них.
Полное затухание акустических колебаний во всех направлениях в предлагаемом способе обеспечивается гашением колебаний, распространяющихся вверх и вниз по потоку рабочей газовой смеси, гашением колебаний, параллельных оси оптического резонатора, и гашением в межлезвийных пространствах электродов колебаний, распространяющихся в направлении разрядного тока от электрода к электроду. При этом гашение акустических колебаний в межлезвийных пространствах электродов осуществляется посредством их многократных отражений от поверхностей лезвий.
Подавление до полного затухания акустических колебаний, распространяющихся из активного объема во всех направлениях при импульсно-периодическом инициировании рабочей среды, позволяет повысить предельную частоту следования импульсов, увеличить среднюю выходную мощность лазера и улучшить диаграмму направленности излучения.
На фиг.1 схематично представлено устройство для реализации заявляемого способа формирования объемного разряда в импульсно-периодическом газовом лазере. Устройство содержит рабочую камеру 1, зеркала резонатора 2, боковые стенки 3, наклоненные под углом ~ 30 к зеркалам, и лезвия 4, закрепленные на пластинах 5. Генератор импульсного напряжения и сетки на фиг.1 не показаны.
На фиг.2 в разрезе показан один из вариантов электрода, иллюстрирующий подавление акустических волн в межлезвийных пространствах электрода, здесь а, b и h - толщина, шаг расположения и высота лезвий а - угол наклона лезвий к направлению
разрядного тока.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
На лезвийные электроды рабочей камеры подают импульсы высокого напряжения, рабочую газовую смесь прокачивают через область объемного разряда в направлении, перпендикулярном току электрического разряда и оси резонатора, гасят до полного затухания акустические колебания в рабочей камере, распространяющиеся во всех направлениях - вверх и вниз по потоку рабочей смеси, параллельно оси оптического резонатора лазера а также распространяющиеся в направлении разрядного тока.
Устройство для реализации способа работает следующим образом. Импульсы высокого напряжения подают на лезвийные электроды 4, закрепленные на пластинах 5 рабочей камеры 1, рабочую газовую смесь прокачивают через область объемного разряда в направлении, перпендикулярном току электрического разряда и оси оптического резонатора из зеркал 2, гасят до полного затухания акустические колебания, распространяющиеся во всех направлениях. Гашение акустических колебаний, распространяющихся вверх и вниз по потоку рабочей среды, осуществляют с помощью сеток. Гашение колебаний, параллельных оси резонатора, осуществляют посредством заклоненных боковых стенок 3. Гашение акустических колебаний, распространяющихся в направлении разрядного тока, осуществляют в межлезвийном пространстве электродов за счет многократного отражения волн между поверхностями лезвий 4.
Проведено экспериментальное подтверждение работоспособности предлагаемого способа и устройства с лезвийными электродами различной формы. Показано, что полное подавление акустических волн, влияющих на однородность плотности рабочей газовой смеси в активном объеме межэлектродного пространства и, соответственно, на устойчивость горения разряда и практическое постоянство показателя преломления в активном объеме в момент инициирования газовой смеси, приводит к увеличению частоты повторения импульсов генерации без снижения энергии в каждом и, как следствие, к повышению средней мощности лазера, а также к улучшению диаграммы направленности излучения.
Изобретение найдет применение при разработке лазеров, используемых как в исследовательских целях, так и в технологических операциях, медицине и экологии.
Источники информации
1. В.Ю.Баранов, Д.Д.Малюта, В.С.Межевов. Квантовая электроника, 5, №10, 2168-2195, 1978.
2. В.Ю.Баранов, Д.Д.Малюта, В.С.Межевов, А.П.Напартович. Физика плазмы, 6, в.4, 785, 1980.
3. И.Л.Буцыкин, С.Д.Великанов, П.А.Евдокимов, А.Ф.Запольский, Е.В.Ковалев, Б.Е.Кодола, И.Н.Пегоев. Квантовая электроника, 31, №11, 957-961, 2001.
4. Stappaerts E.A. Appl. Phys. Letts, 40, 1018 (1982).
Формула изобретения
1. Способ формирования объемного разряда в импульсно-периодическом газовом лазере, включающий подачу импульса высокого напряжения на лезвийные электроды, прокачку рабочей газовой смеси через область объемного разряда в направлении, перпендикулярном току электрического разряда и оси оптического резонатора, гашение акустических колебаний, распространяющихся вверх и вниз по потоку газовой смеси и параллельно оси оптического резонатора лазера, отличающийся тем, что дополнительно в межлезвийных пространствах электродов до полного затухания подавляют акустические волны, распространяющиеся в направлении разрядного тока.
2. Устройство для формирования объемного разряда в импульсно-периодическом газовом лазере замкнутого цикла, включающее генератор импульсного напряжения, рабочую камеру, боковые стенки которой наклонены к оси оптического резонатора и навстречу друг другу, лезвийные электроды, систему для прокачки рабочей газовой смеси, сетки, установленные по потоку газовой смеси до и после рабочей камеры, отличающееся тем, что лезвия электродов с прямоугольной, или треугольной, или трапециевидной формой в сечении установлены с наклоном к направлению разрядного тока, при этом угол наклона и характерные размеры лезвий - средняя толщина лезвия а, шаг расположения лезвий b и высота лезвий h связаны соотношением arctg((b-а)/h)
<30.
