ГАЗОВЫЙ CO2-ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНЫМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ РАЗРЯДОМ

ГАЗОВЫЙ CO2-ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНЫМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ РАЗРЯДОМ


RU (11) 2087064 (13) C1

(51) 6 H01S3/22 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 95119245/25 
(22) Дата подачи заявки: 1995.11.15 
(45) Опубликовано: 1997.08.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: S. Lovold et al. Appl. Phys. Lett. 1982, 40, N 13. R. inclair et al. ournal of Appl. Phys, 1984, v. 56, N 9, p. 2997. Минеев А.И. и др. СО2 лазер с поперечной накачкой препринт N 2, ИОФ РАН. - М. , 1993. 
(71) Заявитель(и): Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН 
(72) Автор(ы): Леонтьев В.Г.; Новгородов М.З.; Очкин В.Н.; Шишканов Е.Ф. 
(73) Патентообладатель(и): Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН 

(54) ГАЗОВЫЙ CO2-ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНЫМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ РАЗРЯДОМ 

Использование: изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве газовых CO2-лазеров с высокой эффективностью накачки. Сущность: газовый CO2-лазер содержит разрядную структуру, состоящую из двух протяженных электродов с несколькими парами вводов ВЧ-энергии. ВЧ-энергия подводится к разряду от источника питания с регулируемой мощностью отрезками кабелей с волновым сопротивлением R. Количество отрезков кабелей равно N /N = 1, 2, 3,...,/. Площадь сечения рабочей поверхности электродов S, межэлектродный зазор d и давление газовой смеси р выбираются из соотношения: S(pd)-1 = CNR-1, где C - коэффициент пропорциональности. 1 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве газовых CO2-лазеров с высокой эффективностью накачки.

Известен CO2- лазер с поперечным высокочастотным (ВЧ) разрядом, содержащий разрядную структуру, состоящую из двух протяженных электродов, расположенных на незначительном расстоянии друг от друга [1] Для возбуждения лазера ВЧ-полем используются два ввода энергии (по одному на каждом электроде). Для эффективной передачи энергии от ВЧ-источника накачки в активную среду лазера необходимо совпадение импедансов нагрузки в режиме горения разряда с выходным импедансом генератора накачки. Для этого между подводящим коаксиальным кабелем и ВЧ-вводами энергии разрядной структуры включают цепь согласования, состоящую из нескольких реактивных сопротивлений, осуществляющую трансформацию комплексного импеданса разряда в импеданс ВЧ-генератора.

Недостатком лазера является то, что в разрядной структуре, обладающей свойствами линии передачи, формируется стоячая волна поля накачки с неоднородным в продольном направлении распределением напряжения. Эта неоднородность обуславливает продольную неоднородность энерговклада в разряд и, как следствие этого, неоднородность коэффициента усиления активной среды лазера, что снижает эффективность накачки.

Известен также CO2-лазер с поперечным ВЧ-разрядом [2] в котором для уменьшения продольной неоднородности коэффициента усиления активной среды используются шунтирующие индуктивности, подключенные между электродами и расположенные вдоль разрядной структуры. Величина индуктивностей выбирается из условия получения резонанса по частоте ВЧ-накачки. Таким образом, в этой конструкции шунтирующие индуктивности не только уменьшают продольную неоднородность напряжения, но и являются частью цепи согласования, преобразующей импеданс разряда лазера в выходное сопротивление источника ВЧ-накачки.

Недостатком лазера являются существенные ВЧ-потери в цепи согласования, в том числе на шунтирующих индуктивностях, которые складываются из потерь на излучение, потерь на межвитковых емкостях, потерь на омическом сопротивлении токам ВЧ.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является CO2-лазер с поперечной ВЧ-накачкой [3] содержащий разрядную структуру с двумя протяженными электродами и источник питания, соединенный с разрядной структурой кабелями через несколько пар вводов, расположенных на электродах. В таком лазере достигается более равномерное распределение энергии накачки вдоль разрядной структуры, а следовательно, более высокая эффективность накачки, чем в известных лазерах при подаче энергии через одну пару вводов энергии.

Недостатком данной конструкции является высокие суммарные потери ВЧ-энергии на омическом сопротивлении цепей согласования, которые включаются между каждым подводящим кабелем и вводами ВЧ-энергии разрядной структуры, что существенно снижает эффективность накачки.

Изобретение решает задачу создания ВЧ CO2-лазера с повышенной эффективностью накачки.

Осуществление изобретения позволит создать конструкцию CO2-лазера с поперечным ВЧ-возбуждением, обеспечивающую минимальные электрические потери при согласовании импеданса разряда с выходным сопротивлением источника питания. При этом одновременно будет обеспечиваться минимальная величина продольной неоднородности усиления.

Это достигается тем, что в известном CO2-лазере, содержащем разрядную структуру, состоящую из двух протяженных электродов с одной или несколькими парами вводов ВЧ-энергии, возбуждаемую поперечным ВЧ-разрядом от источника питания с регулируемой выходной мощностью, соединенного с разрядной структурой N (N 1, 2, 3,) отрезками кабелей с волновым сопротивлением R, площадь сечения S рабочей поверхности каждого электрода, межэлектродный зазор d и давление газовой смеси p выбираются из условия

S(pd)-1 CNR-1,

где S, мм2;

d, мм;

p, мм рт.ст.

R, Ом

C 61102 Оммм/мм рт.ст.

Совпадение импеданса нагрузки с выходным импедансом ВЧ-генератора, соединенного с излучателем лазера несколькими кабелями, обеспечивается достижением сопротивления разрядной структуры, равного R/N. Учитывая, что соединяющие кабели имеют определенное стандартное значение волнового сопротивления (как правило, 50 Ом), в предложенной конструкции осуществляется выбор сопротивления разрядной структуры путем подбора ее геометрии (площадь рабочей поверхности каждого электрода и межэлектродный зазор) и давления газовой смеси. Эти параметры определяются из вышеуказанного соотношения. Эффективность накачки предложенного лазера возрастает благодаря отсутствию специальных цепей согласования, а следовательно, из-за малых электрических потерь.

На чертеже показан предложенный CO2-лазер с поперечным ВЧ-возбуждением.

Лазер содержит источник питания 1, излучатель 2. Энергия электрического поля подводится к разрядному промежутку с помощью отрезков кабелей 3. Разрядная структура излучателя образована протяженными электродами 4 площадью S ab, расстояние между которыми составляет d.

Принцип действия предлагаемого устройства состоит в следующем.

От ВЧ-генератора с помощью нескольких (N) отрезков кабелей с волновым сопротивлением R подается напряжение на разрядную структуру, вследствие чего в разрядном канале возбуждается поперечный разряд и возникает состояние с инверсной заселенностью. Согласование импеданса разряда с выходным сопротивлением источника питания осуществляется достижением сопротивления разряда, равного R/N. Поскольку сопротивление разряда зависит от объема и давления возбуждаемой активной среды, точное его значение можно выбрать при проектировании лазера, задавая геометрию разрядной структуры (величина рабочей поверхности S каждого электрода, межэлектродный зазор d) и давление газовой среды p. Между указанными параметрами и волновым сопротивлением R соединяющих кабелей установлено следующее соотношение:

S(pd)-1 CNR-1,

где S, мм2;

d, мм;

p, мм рт.ст.

R, Ом;

C (61)102 Оммм/мм рт.ст.

Коэффициент пропорциональности C (61)102 Оммм/мм рт. ст. входящий в вышеуказанное соотношение, определен экспериментально для нескольких (не менее 10) совокупностей параметров S, p и d как усредненное значение.

В соответствии с данным предложением создан CO2- лазер, возбуждаемый поперечным ВЧ-разрядом со следующими техническими характеристиками:

Размеры рабочей поверхности электрода (ширинадлина), мм2 - 40280

Межэлектродный зазор, мм 2,5

Давление рабочей смеси, мм рт.ст. 50

Частота ВЧ-поля, МГц 81,36

Мощность ВЧ-генератора, Вт 600

Мощность излучения лазера в диапазоне длин волн 9-11 мкм, Вт 60

Количество соединяющих кабелей 4

Таким образом, изобретение позволяет обеспечить согласование импедансов разряда с выходным сопротивлением ВЧ-генератора без использования внешних цепей согласования и тем самым создать CO2-лазер с поперечным ВЧ-разрядом с повышенной эффективностью накачки. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Газовый СО2 лазер с поперечным высокочастотном разрядом, содержащий разрядную структуру, состоящую из двух протяженных электродов с несколькими парами вводов ВЧ энергии, возбуждаемый поперечным ВЧ разрядом от источника питания с регулируемой выходной мощностью, соединенного с разрядной структурой N (N=1,2,3.) отрезками кабелей с волновым сопротивлением R, Ом, отличающийся тем, что площадь сечения S, мм2, рабочей поверхности каждого электрода, межэлектродный зазор d, мм, и давление Р, мм рт.ст. газовой смеси выбраны из соотношения

S(pd)-1 CNR-1,

где С (6 1) х 102 Ом х мм/мм рт.ст.