Газоразрядный импульсный проточный лазер

Газоразрядный импульсный проточный лазер

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1 . ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ I ПРОТОЧНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий устрой- .c'fBo для прокачивания рабочей 'смеси по замкнутому контуру, разрядную камеру, отличающийся' тем, что, с целью повышения КПД, !увеличения удельного энерговклада и уменьшения габаритов, устройство для прокачивания рабочей смеси выполнено в виде размещенного в разрядной камере поршня из диэлектрического материала, снабженного обратным клапаном и соединенного с маховым колесим посредством кривош»"пно-шатунного механизма, а на входе в разрядную камеру установлена диэлектрическая ;стенка, снабженная обратным калапа- 'ном.(Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

24041 А (19) (11) 4(51) Н 01 S 3 2,2 опислний иэоьретения

Н АВТОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬС ТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 263281 7/18-25 (22) 22, 06. 78 (46) 23. 02. 85. Бюл. Ф 7 (72) А.А.Некрасов и А.В.Губарев (53) 621.375.8(088,8) (56) 1. Dumanchin R. et а1. "Extension of. ТЕА СО, Laser СараЬi1 ties.

IEEE Journal of. Quantum Electronics, vol, 8, )"-. 82, р, 163, 1972, 2. Баранов В..IO. и др. Импульсный лазер с высокой частотой повторения импульсов. Теплофизика высоких температур, 15, нып. 5, 972, 1977 (прототип). (54)(57) 1 . ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ, ;ПРОТОЧЙЫЙ ЛАЗЕР, содержащий устрой-, ство для прокачивания рабочей смеси по замкнутому контуру., разрядную

/ камеру, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, увеличения удельного энерговклада и уменьшения габаритов, устройство для прокачивания рабочей смеси выполнено в виде размещенного в разрядной камере поршня из диэлектрического материала, снабженного обратным клапаном и соединенного с маховым колесом посредством кривошипно-шатунного механизма, а на входе s разрядную камеру установлена диэлектрическая стенка, снабженная обратным калапаI ном. О

724041

Целью изобретения является повышение КПД, увеличение удельного энерговклада и уменьшение габаритов.

Эта цель достигается тем, что устройство для прокачивания рабочей смеси по замкнутому контуру выполнено !

2. Лазер по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения мощности путем увеличения частоты следования электрических . разрядов, диэлектрическая стенка г

1

Изобретение относится к области квайтовой,электроники и может быть использовано при проектировании электроразрядных газовых лазеров.

Известен газовый проточный лазер, работающий в импульсно-периодическом 5 режиме f1), в котором инверсная заселенность создается при возбуждении импульсного разряда в потоке газа.

При этом направление движения потока газа совпадает с направленйем лазер-, 10 ной оси, вдоль которой электродная

t система имеет наибольшую длину. Такое направление потока газа ограничивает частоту следования импульсов лазера, так как необходимо, чтобы за время, 15 между импульсами сменился весь объем газа в разрядных промежутках элект родной системы.

Этот недостаток устранен в известном лазере (2), где разряд возбужда- 20 ется в направлении, перпендикулярном направлению движения газа и оптической оси лазера. Лазер содержит замкнутый газовый тракт с электродами, теплообменником и среДством для прокачки 25 газа.

Существенным йедостатком известных устройств является их низкий ИЩ, в связи с наличием энергетически мощных агрегатов для прокачивания газовой 30 среды по контуру. При этом, с увеличением частоты импульсов необходимая степень сжатия и расход газа увеличиваются. В результате этого удельные затраты энергии на прокачивание газовой среды сильно возрастают, что также приводит к снижению полного

КПД. выполнена в виде поршня дополнитель. ного кривошипно-шатунного механизма, снабженного маховым колесом, при этом обакривошипно-шатунных механизма механически связаны между собой.

:в виде размещенного в разрядной камере поршня иэ диэлектрического материала, снабженного обратным клапаном н

1 соединенного с маховым колесом посредством кривошипно-шатунного механизма, а на входе в разрядную камеру уста; новлена диэлектрическая стенка, снабженная обратным клапаном. !

В таком лазере с целью увеличения мощности путем увеличения частоты следования электрических разрядов, диэлектрическая стенка выполнена в виде поршня дополнительного кривошипно-шатунного механизма, снабженного маховым колесом, при этом оба кривошипно-шатунных механизма механически связаны между собой.

На фиг. 1 показана принципиальная

:схема устройства, на фиг. 2-б основ ные положения подвижных частей уста,новки в процессе работы, на фиг. 7—

РЧ-диаграмма . термодинамических процессов, происходящих с газовой смесью в камере для создания инверсной заселенности; на фиг. 8 — схема устройства с двумя кривошипно-шатунными .механизмами, Устройство состаМт из разрядной .камеры 1 с приспособлением для

1 импульсного создания инверсной заселенности молекул газовой среды, оптического резонатора 2, поршня 3 прямоугольного сечения с кривошипно-maтунным механизмом и маховым колесом 4, диэлектрической стенки 5, установленной на входе в разрядную камеру, обратными впускными и выпускными клапа,нами 6, причем впускные (выпускные) клайапы находятся на неподвижной стенке 5, а выпускные (впускные) на поршне 3.

Устройство работает следующим образом.

041

3 . 724

С помощью электродвигателя, вал которого жестко связан с осью махового колеса 4, маховое колесо раскручивается до заданной угловой скорости. B начальный момент времени о, когда поршень занимает положение А (см. фиг. 2) в камере 1 осуществляется импульсный подвод энергии, в результате чего создается инверсная заселенность. Через некоторое время. достигается пороговый коэффициент усиления и в объеме камеры происходит генерация мощного потока световой энергии. Вместе с этим происходит релаксация колебательной энергии 1 молекул в тепловую энергию поступательного движения, т.е. в объеме газовой среды, находящейся в камере, происходит импульсное выделение теП.лавой энергии (на PV-Диаграмме — щ см. фиг. 7 — процесс 7-7 ), в результате чего газ в камере нагревается при практически постоянном объеме (поршень за это время перемещается на незначительную величину). 5

Возникающая в камере сила давления газовой смеси, воздействуя на поршень, сообщает ему импульс. В результате инерции махового колеса и сообщенного импульса поршень пере- 30 мещается в положение В (см. фиг. 3, на PV-диаграмме — см. фиг. 7 — процесс 7 -8). Гаэ при этом расширя-! е тс я до пе рв он ач ально го давления, причем часть газа может вытекать д через обратные клапаны поршня. Далее, пройдя нижнюю мертвую точку, пор шень начинает движение к стенке 5, вытесняя через свои обратные клапаны газовую смесь, находящуюся в камере 40 (см. фиг. 4-5, на PV-диаграмме см. фиг. 7 — процесс 8-10); Пройдя положение верхней "мертвой" точки Д (см. фиг. 5) и вытеснив весь газ из полости разрядной камеры, поршень 45 начинает обратное движение, причем через обратные клапаны, находящиесяв стенке 5, в камеру поступает свежая газовая смесь (на PV-диаграмме — см. фиг. 7 — процесс 10-7). В у) положении А (см. фиг. 2), когда поршень отодвинется на расстояние размеров камеры, вновь осуществляется импульсный подвод энергии и цикл повторяется. В результате реа- у лизуется импульсный частотный режим генерации мощных потоков световой энергии.

После выхода лазера на рабочий режим от электродвигателя отключартся питание и он может быть использован как дополнительная масса к маховому колесу, или, если момент на оси махового колеса будет велик, в качестве электрогенератора, например, для питания приборов установки.

Частота импульсов такого устройства определяется формулой: ср

1= — =— д где, - время, за которое маховое колесо делает один оборот;

Vq>- средняя скорость поршня;

d — ход поршня.

Как видно из формулы, частота ра-боты установки может быть повышена за счет увеличения Чср и уменьшения д .

Чс зависит от массы поршня, прочности материалов, из которого он из готовлен, и поэтому является величи- ной вполне определенной. Поэтому реальное увеличение частоты можно получить только за счет уменьшения d ..

Однако это приведет к уменьшению

I объема камеры, и следовательно, энергии импульса.

Тем не менее можно уменьшить ход поршня 4, не меняя размеров камеры. Для этого (см. фиг. 8) необходимо вместо стенки 5 с обратными клапанами использовать второй поршень 11, синхронно связанный с первым

В этом случае частота повышается в

2 раза, причем энергия в импульсеостается неизменной, и, следовательно, средняя мощность излучения увеличивается также в 2 раза.

Впускные и выпускные клапаны могут открываться и закрываться как в результате силового воздействия на них перепада давления, возникающего в результате энерговыделения и движения поршня, так и в результате работы распределительного механизма, синхронно связанного с маховым ко,лесом. ддной из задач лазерной техники является получение инверсной заселеннбсти молекул газовой смеси, предварительно охлажденной до низкой температуры (100-1I50 К). В этом случае существенно повышаются удельные энерговклады в импульсе, улучшается устойчивость разряда, а также появляется BosMollность получить

041 а = .о - - . Т О т„ -- — --- Т. 35

4 724

СО -излучание в более глубокой инфракрасной области, чем 10 2 мкм, что представляет собой интерес при реше-" "" нии ряда практических задач.

В настоящее время одним из способов охлаждения газовой смеси йвляется

"бхлаждение в сверхзвуковом потоке.

Однако это решение требует значительных энергетических затрат, связанных с созданием необходимого перепада 1Î . давления.

В устройстве можно охлаждать газо-. вую смесь в камере, также используя эффект расширения. Для этого необходимо лишь предусмотреть устройство, пропускающее ограниченное количество газовой смеси в разрядную камеру с таким расчетом, чтобы к моменту прихода поршня (или поршней, в случае схемы с двумя поршнями, см. фиг. 8) в положение А (непосредственно перед разрядом, фиг. 2, 6) в камеру поступило бы такое количество газовой смеси, которое обусловило бы необходимую плотность J а, соедовательно, исходя из условия адиабатич-, НосТН процесса расширения, H температуру Т в разрядной камере..

Как известно, соотношение между

Р и Т в адиабатическом процессе определяется формулой (,) где - показатель адиабаты.

Если температура газовой смеси, поступающей в разрядную камеру через клапаны, равна Те, температура охлажденной в результате расширения газовой смеси -Т, а температура после энерговклада -Т, то величина энер"; гии, которую необходимо затратить на охлаждение газовой смеси, определяется формулой для адиабатического процесса: (,„„=С,(ò,-Т„) . где С„ — удельная теплоемкость газовой смеси при постоянном объеме.

Энергия, которая подводится к газоной смеси в результате газового разряда, определяется формулой для изохорического процесса: по = ч(Т -М

I так как Т > То ) Т то, очевидно, что

Именно эа счет этой эйергии Ь (или ее части, в случае работы элект"родвигателя махового колеса) поддерживается устойчивое движение махового полеса, а следовательно, и поршня, и осуществляется смена газа в разрядной камере.

Таким образом, использование изобретения позволит повысить полный КПД установки, увеличить удельные энерговклады, а также улучшить удельные несо"габаритные характеристики.

Paz.

Фи., 4

724041

Ъ "Фу:

Nuz 7

11 3

oui.8

Корректор Г. Огар

Техред М.Пароцай "

Редактор П. Горькова

Заказ 541/3

Тираж 638

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобререний и открытий

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

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