Электроразрядный лазер

Электроразрядный лазер

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

о . ;-, к- ", из я, а г".".н М 4 4

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 200178 (21}2571797/18-25 (51II с присоединением заявки йо (23) Приоритет

H 01 S 3/09

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий

Опубликовано 15038) Бюллетень Мо 10

Дата опубликования описания 180381 (53) УДК 621 375 . 8 (088. 8) (72) Авторы изобретения

В.В. Осипов и В.А. Тельнов (71) Заявитель

Институт сильноточной электроники СО АН СССР (54) ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться при создании высокоэффективных газовых лазеров с высоким уров»ем мощности излучения.

Известен электроразрядный непрерывный лазер, способный функционировать с высокой эффективностью при значительном давлении активной сре ды 11.

Лазер состоит из газовой кюветы, резонатора, системы электродов для возбуждения разряда, источников питания и скоростной системы прокачки газа. 15

Недостатками его являются низкая скорость поступления энергии в активную среду и, следовательно, низкая мощность излучения, высокая амплитуда высоковольтных импульсов, необходи- 2О мая для создания плазмы с нужной концентрацией электронов. Это сказывается отрицательно на работе тиратронов, использующихся в качестве коммутаторов тока. Известно, что с уменьшением напряжения коммутируемого импульса повышается надежность и долговечность тиратрона, возрастает средняя мощность, облегчаются изоляционные условия. 30

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является электрооазрядный лазер, содержащий кювету с двумя профилирозанными электродами, один из которых заземлен, и установленным между ними промежуточным электродом, и систему предионизации, включающую импульсный источник питания (2) .

B известном лазере на катоде расположена система электродов предварительной ионизации, отделенная от катода диэлектриком. Один газовый поток протекает в области катод-сетка, другой поток, имеющий собственную систему прокачки, протекает в области сетка-анод. Направление потоков и давление газов одинаково, вследствие этого газовые потоки практически не перемешиваются. В промежутке катод-сетка протекает Не или какой-либо другой инертный газ. В промежутке сетка-анод протекает смесь газов, которая может состоять из СО, N<, He.

Недостатками этого лазера являются низкий КПд и малая надежность,что является следствием применения для накачки -азовой смеси импульсного источника питания. В этом случае воз713468 буждение рабочей смеси осуществляется самостоятельным разрядом и невозможна раздельная регулировка Kofillp.íòðàöèè электронов и напряженности электрического поля Е, вследствие чего основная доля энергии вводится в рабочую смесь при Е значительно больших, чем требуется для оптимальной накачки

4 колебательных уровней молекул углекислого газа и азота. Вследствие этого КПД лазера невысок 10-12%. Кроме того, импульсный источник питания (О подключен к сетке через коммутатор таким образом, что через него проходит основная доля энергии, затрачиваемая на накачку рабочей газовой смеси. Это уменьшает срок службы и наженость прибора.

Недостатками конструкции является также ее сложность, обусловленная необходимостью применения двух про- . качных систем: для инертных газов и 2{) для рабочей смеси газов, и низкая эффективность использования рабочего объема, обусловленная тем, что часть объема занята разрядом в инертном газе и не генерирует излучение. 25

Целью изобретения является увеличение КПД, повышение надежности, увеличение срока службы и упрощение конструкции.

Указанная цель достн"ается тем, что к профилированным электродам под- ЗО ключен источник постоянного напряжения, а импульсный источник питания подсоединен к профилированным электродам через два последовательно соединенных конденсатора, общая точка которых через коммутатор связана с промежуточным электродом, при этом промежуточный электрод установлен таким образом, что выполняется соотношение 40

42

А

В где 4 — расстояние между заземленным профилированным и проме- 5 жуточным электродами;

d< — расстояние между вторым профилированным электродом и промежуточным электродами;

h — расстояние между профилированными электродами;

В = + (45-60), коэфВ см. мм. рт. ст. фициент, учитывающий условия зажигания импульсного самостоятельного разряда в межэлектродных промежутках;

A -= -«+ (4-18) —, коэфВ см. мм. рт . ст . фициент, учитывающий оптимальные условия накачки. 60

Знак учитывает направление вектора напряженности электрического поля.

На фиг. 1 изображен предложенный лазер, продольное сечение; на фиг.2

0 (+U )

3- d 3- 4

3-4 4-б

0т

4-5 4, uò — (+ U1) тогда d

4--5 2. где Е „; Ед, d> д и 44 — напряженности электрическoгo поля и расстояния между электродами 3-4 и 4-5 соответственно.

Лазер работает следующим образом.

B исходном состоянии батарея 12 конденсаторов заряжена по цепи: сопротивление 16 — батарея 12 конденсаторов — земля, до напряжения U, Конденсаторы 13, 14 заряжены до напряжения U противоположной полярности U. по цепям: сопротивление 17 конденсатор 13 — батарея 12 конденсаторов — земля и сопротивление 17— конденсатор 14 — земля. Поскольку С fg и С, «С„,, а 0 )> U„, то заряд то же, поперечное сечение; на фиг.3 приведена блок-схема лазера.

Лазер состоит из электродов 1, 2 предварительной ионизации, потенциального профилированного электрода 3, промежуточного электрода 4, например, в виде сетки, профилированного электрода 5, находящегося под потенциалом земли; и резонатора, состоящего из зеркал 6, 7, помещенных в разрядную камеру 8. К профилированным электродам 3, 5, выполненным по профилю Роговского, Брюса или Чанга, подключен стационарный источник 9 питания. Источник 10 импульсного напряжения подключен к промежуточному электроду 4 и к профилированным электродам 3, 5.

Электроды 1 предварительной ионизации, например, в виде ряда острий, подключены к промежуточному электроду 4, а электроды 2, такого же типа, как электроды 1, подключены к профилированным электродам 3, 5 через конденсаторы 11. Источник 9 постоянного напряжения выполнен в виде батареи 12 конденсаторов, заряженной цо напряжения U„, Импульсное напряжение подается на профилированные электроды 3, 5 через конденсаторы 13, 14, заряженные до напряжения U, а на

1 промежуто юный электрод — через тиратрон 15. B цепь зарядов батареи 12 включено сопротивление 16, а в цепь заряда конденсаторов 13, 14 включено сопротивление 17.

Место установления сетки электрода 4 выбирается из условия равенства электрического поля в объемах между электродами 3-4 и 4-5 при приложении к сетке высоковольтного импульса U, создающего плазму. Связь между прикладываемым напряжением, напряженностью поля и межэлектродным расстоянием очевидна

7134б8

Конденсаторы 11 не заряже1 3 ны. ГГосле подачи импульса на сетку тиратрона 15, он открывается и напряжение U передается на сетку и промежутки между электродами 2-1. На фронте этого импульса зажигается вспомогательный разряд в этих промежутках, производящий предварителььую ионизацию в объемах между электродами 3-4 и 4-5, и конденсаторы 11 заряжаются.

При достижении пробивного напряже- !О ния в промежутке между электродами

3-4 (или 4-5), в нем возбуждается разряд. Поскольку сопротивление плазмы разряда накачки много больше сопротивления тиратрона, то на проме- !5 жуток между электродами 4-5 (3-4), в котором еще не зажегся разряд, действует напряжение U7, электроны и фотоны разряда, приходящие из промежутка между электродами 3-4 (4-5). 20

B результате этого в невозбужденном промежутке зажигается разряд с запаздыванием по отношению к предыдущему не выше 10 нс.

Конденсаторы 13, 14 и 11 разряжаются через сопротивления плазмы в промежутках между электродами 3-4 и 45 до О, в промежутках создается плазма с заданной концентрацией электронов. После этого вследствие воздействия на промежуток между электродами 3-4 напряжения (-U ) потенциал сетки 4 меняет знак на обратный и тиратрон 15 закрывается. Плазма сопротивлением R, созданная на стадии самостоятельного разряда, проводит ток, которым производится накачка рабочей среды лазера. Поскольку при оптимальном с точки зрения накачки лазера напряжении О, воздействующим

-1 1 на плазму, ионизация среды не воспол- 4(» няет убыль заряженных частиц вследcraze рекомбинации, ток уменьшается.

Поддержание разряда непрерывным восполнением зарядоносителей осуществляется с помощью импульсного напряжения U<, подаваемого на сетку 4 после очередного включения тиратрона 15, который возбуждает самостоятельный разряд. При достижении пороговых энерговкладов ОКГ начинает генерировать когерентное излучение. Частота следования импульсов определяется задаваеmw средним уровнем мощности рязряда, давлением и сортом газа. Эту частоту легко подобрать из условия: интенсивность когерентного излучения (коэффи- 55 циент усиления активной среды) не должен уменьшаться ниже заданной величины. Например, при давлении СО й, : Ие = 1:2:3 100 тор и изменении интенсивности излучения не более, чем ( на ЗОВ, частота следования импульсов составляет 10 кГц.

Предложенный лазер обладает более высоким КПД, поскольку накачка рабочей смеси осуществляется при оптигде d

A =+ расстояние между заземленным профилированным и про-межуточным электродами; расстояние между вторым профилированным и промежуточным электродами; расстояние между профилированными электродами>

В см.мм.рт.ст. фициент учитывающий оптимальные условия накачки; фициент, учитЫвающий условия зажигания импульсного самостоятельного разряда в межэлектродных промежутках. мальной напряженности электрического поля. Это достигается тем, что с помощью импульсного самостоятельного разряда, на возбужцение которого затрачивается незначительная энергия, задается необходимая начальная концентрация электронов, а основная энергия вводится на стадии несамостоятельного разряда, энергия на поддержание которого в оптимальных условиях поступает от источника постоянного напряжения.

Большая надежность и срок службы устройства обеспечивается тем, что коммутирующий элемент установлен только в цепи маломощного самостоятельного разряда, а напряжение зажигания самостоятельного разряда в два раза ниже, поскольку напряжение подается на вспомогательный электрод, являющийся общим для обоих межэлектродных промежутков.

Упрощение конструкции достигается путем применения единой системы прокачки газа, общей для обоих межэлектродных промежутков.

Формула изобретения

Электроразрядный лазер, содержащий кювету с двумя профилированными электродами, один из которых заземлен, и установленным между ними промежуточным электродом, систему предионизации, включающую импульсный источник питания, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД, повышения надежности и увеличения срока службы,к профилированным электро-: дам подключен источник постоянного напряжения, а импульсный источник питания подсоединен к профилированным электродам через два последовательно соединенных конденсатора, общая точка которых через коммутатор связана с промежуточным электродом, при этом промежуточный электрод установлен таким образом, что выполняет-. ся соотношение

d "d =+=h

7 - 8

° РФ ф ° ° ф . ф ° м

71 346 8

Д-А

u rG

CocTBвитель A. Царвков

Редактор Т. Морозова Техред H.Påéâeo Корректор О. Билак

Заказ 1598/42

Тираж 634 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва Ж 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. 3 .P. Reilly, Ри1ьег/Suctainer еiectriс-discharge 1aseг, Jouг а! of

App l i cd Physics 1972 у. 43 у 8 р. 3411.

2. Патент Сн1А Р 3842366, кл. 331-94.5, опублик. 1974 (прототип),