ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР


RU (11) 2007003 (13) C1

(51) 5 H01S3/0977 

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

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

(21) Заявка: 4837959/25 
(22) Дата подачи заявки: 1990.06.19 
(45) Опубликовано: 1994.01.30 
(71) Заявитель(и): Совместное советско-западногерманское предприятие "Центр лазерной технологии" 
(72) Автор(ы): Витшас А.Ф.; Горный С.Г.; Менахин Л.П.; Сорока А.М.; Чулков В.В. 
(73) Патентообладатель(и): Совместное советско-западногерманское предприятие "Центр лазерной технологии" 

(54) ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР 

Использование: в технологических CO2 с конвективным охлаждением рабочей смеси. Сущность изобретения: лазер состоит из камеры, выполненной из диэлектрика, с электродами 7 - 9 основного разряда и ионизации, источника 2 постоянного напряжения и генератора 3 периодических импульсов, причем один из электродов 7 основного разряда выполнен в виде металлической пластины, установлен внутри камеры и дополнительно подключен к генератору 3, другой электрод 8 выполнен в виде сетки и установлен между электродами 7 и электродом 9 ионизации. Расстояние между электродами 8 и 9 меньше удвоенного размера ячейки сетки, кроме того, между источником 2 постоянного напряжения и электродом 8 включена индуктивность 4. 1 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в мощных технологических лазерах с конвективным охлаждением рабочей смеси.

Известно устройство газового лазера с конвективным охлаждением рабочей смеси [1] , состоящее из разрядной трубки, внутри которой с помощью системы электродов создается газоразрядная плазма. В торцах разрядной трубки размещаются зеркала резонатора. Усилительные свойства среды СО2-лазера ограничены перегревом активной среды. Для предотвращения перегрева в таких устройствах осуществляют прокачку газовой смеси СО2-лазера вдоль разрядной трубки. Предельная величина удельной выходной мощности излучения ограничена величиной плотности вкладываемой мощности Рвкл.

Для повышения мощности излучения газовых лазеров с конвективным охлаждением среды используют комбинированные разряды, в которых большая часть энергии вкладывается в течение рекомбинационного распада плазмы при относительно небольших Е/р (Е - напряженность электрического поля; р - давление газа), а импульсный разряд с высоким Е/р используется для создания высокой степени ионизации газа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является газоразрядный лазер с конвективным охлаждением рабочей смеси "Лантан-2М" [2] . Лазер состоит из газового контура, соединенного с разрядной камерой, обеспечивающего скорость потока газа до 70 м/c, и разрядной камеры с оптическим резонатором. Газоразрядная камера ограничена сверху и снизу электродами ионизации, а с боков - стеклотекстолитовыми стенками с отверстиями для прохода излучения и электродов основного разряда. При подаче на электроды ионизации импульсов высокого напряжения от генератора периодических импульсов в объеме камеры поддерживается емкостный разряд. От источника питания основного разряда прикладывается напряжение к электродам основного разряда.

Для многих применений оптимальным с точки зрения технологии являются лазеры, генерирующие импульсы света 50-500 мкс. Такие импульсы генерируют лазеры с накачкой комбинированным разрядом типа "Лантан-2М", работающие в частотно-импульсном режиме. Генератор импульсов в этом случае работает в режиме генерации пачек импульсов с частотой повторения импульсов в пачке 10-20 кГц, так что между импульсами плазма не успевает полностью рекомбинировать. Длительность импульса накачки, а, следовательно, и импульса излучения регулируется числом импульсов в пачке. Достоинствами такого лазера являются возможность достижения высоких энергетических параметров из-за отсутствия балластных сопротивлений в цепи питания разряда и малых затрат мощности на ионизацию среды, хорошая управляемость длительностью импульса и простота конструкции электродов. Однако наличие емкостного сопротивления диэлектрических пластин, изолирующих электроды ионизации от активной среды лазера, ограничивает концентрацию электродов в плазме на уровне 1010-1011 см-3 для реальных параметров источников питания, площади и толщины диэлектрических пластин. Это, в свою очередь, ограничивает рабочее давление лазера, мощность накачки и генерации. В то же время изоляция электродов диэлектриком необходима, поскольку это обеспечивает объемный характер ионизирующих импульсов (вследствие балластирующего влияния распределенной емкости) и основного разряда.

Недостатком прототипа является малая величина мощности излучения и низкий КПД. В прототипе направление тока емкостного разряда, вектор тока основного разряда, совпадающего с направлением газового потока, и оптическая ось резонатора ориентированы во взаимно перпендикулярных направлениях.

При этом часть области основного разряда оказалась вне предела действия ионизирующих импульсов. В этой области вблизи электродов основного разряда реализуется самостоятельный режим горения разряда. Разряд в этой области шнуруется, что ограничивает рабочие значения параметра Е/р и тем самым мощность и КПД лазера, поскольку при низких Е/р мала эффективность возбуждения верхнего лазерного уровня и большая часть от вкладываемой мощности идет на нагрев газа и на возбуждение нижнего уровня лазера.

Целью изобретения является повышение мощности излучения и КПД лазера.

Цель достигается тем, что в газовом лазере, содержащем диэлектрическую разрядную камеру, внутри которой установлены основные электроды, и установленные вдоль боковой стенки камеры электроды ионизации, изолированные от газовой среды лазера диэлектриком, источник постоянного напряжения, подключенный к основным электродам, и генератор периодических импульсов, первый вывод которого подключен к электроду ионизации, первый основной электрод выполнен в виде металлической пластины и установлен на боковой внутренней поверхности разрядной камеры напротив электрода ионизации, второй основной электрод выполнен в форме плоской сетки и установлен между первым электродом основного разряда и электродом ионизации на расстоянии от электрода ионизации, меньшем удвоенного наименьшего размера ячейки сетки, причем второй основной электрод подключен к источнику постоянного напряжения через индуктивность.

Реализация положительного эффекта связана с отличительными признаками следующим образом. В предлагаемой конструкции в отличие от прототипа за счет более удачного взаимного расположения электродов основного разряда и электродов ионизации, то есть за счет использования трехэлектродной системы с общим сплошным электродом, область основного разряда полностью попадает в область емкостного разряда. Тем самым устраняются области с самостоятельным режимом горения разряда. При этом значительно повышается среднее значение параметра Е/р, что экспериментально установлено авторами заявки. Так, для смеси СО2 : N2 : Не в отношении 1: 14: 10 максимальная величина E/p составила 3,8 В/(см Торр) для прототипа [2] , а в предлагаемой конструкции для тех же условий Е/р = 4,5 В/(см Торр). Это позволило увеличить выходную мощность в 2 раза и КПД с 10 до 15% в частотно-импульсном режиме. Реализация положительного эффекта возможна только при использовании двух других отличительных признаков: включения индуктивности и правильного выбора соотношения между расстоянием сетка-электрод и размера ячейки сетки. Включение индуктивности в цепи питания основного разряда позволяет электрически развязать цепи емкостного разряда и цепь основного разряда. Опыты, проведенные на разрядной камере, показали, что при L>d/sf сопротивление индуктивности оказывает существенное влияние на основной разряд, что снижает Е/р и вкладываемую мощность; при L<2d/s не представляется возможным вообще зажечь разряд, поскольку по высокой частоте источник питания экранирует промежуток сетка - второй электрод основного разряда, что делает невозможным ионизацию среды в этом промежутке.

Слишком мелкая сетка также не позволяет зажечь разряд в основном промежутке из-за экранировки электрического поля емкостного разряда. Соотношение между размером ячейки сетки l и расстоянием сетка-электрод ионизации dэ подбиралось экспериментально. При 2 l > dэсущественной экранировки поля не наблюдалось.

Испытания различных конструкций полупрозрачного электрода основного разряда показали, что предпочтительна конструкция из решетки, выполненной в виде металлических прутков, ориентированных вдоль газового потока (с соответствующим выбором расстояния между прутками dn > l). За счет этого устраняется застойная зона между полупрозрачным электродом и электродом ионизации. Поскольку скорость конвективного охлаждения в застойной зоне меньше, чем в ядре потока, то перегрев газа в этой области снижает электрическую прочность промежутка. В конструкции с решеткой были достигнуты максимальные величины Е/p = 5,2 В/(см Торр), и, соответственно, максимальные значения выходной мощности и КПД.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит разрядную камеру 1, источник 2 питания основного разряда, генератор 3 периодических импульсов, индуктивность 4, оптический резонатор 5, газовый контур 6. В состав разрядной камеры входят общий электрод 7, электрод 8 основного разряда и электрод 9 ионизации. Оптический резонатор на чертеже показан условно, его оптическая ось перпендикулярна плоскости чертежа.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 3 периодических импульсов генерирует последовательность высоковольтных импульсов с периодом повторения, меньшим времени рекомбинации плазмы (в случае частотно-импульсного режима работы лазера-пачки таких импульсов). Емкостный разряд, возникающий под действием высоковольтных импульсов, между общим электродом 7 и электродом 9 ионизации периодически ионизует газовую смесь лазера. В паузе между импульсами газоразрядная плазма рекомбинирует. Под действием постоянного напряжения, приложенного от источника 2 питания основного разряда через индуктивность 4 к общему электроду 7 и электроду 8 основного разряда, выполненного в виде сетки или решетки, в активной среде поддерживается тлеющий разряд, который возбуждает колебания уровня 001 молекулы СО2, являющегося верхним лазерным уровнем. При достаточно высоком уровне накачки осуществляется генерация света. Газовый контур 6 осуществляет прокачку газовой смеси через разрядную камеру 1.

Пример реализации устройства.

В разрядном устройстве использовался газовый контур от установки "Латус-31", разрядная камера изготовлена из текстолита, электроды - из меди. Размеры разрядного промежутка - 90х20х5 см3. Расстояние между сеткой и электродом ионизации - 1 см, размер ячейки сетки - 0,6 см, геометрическая прозрачность сетки - 0,6. Индуктивность - 20 мкГн. Напряжение основного разряда - 2. . . 10 кВ. Напряжение источника периодических импульсов - 10. . . 20 кВ, длительность импульсов - 0,1 мкс, частота повторения импульсов - 20 кГц, длительность пачки импульсов - 1 мс, частота повторения пачек импульсов - 100 Гц. Давление газа - 50 Торр, смесь СО2 : N2 : He в отношении 2: 9: 20. Одно из зеркал резонатора глухое с коэффициентом отражения 0,98, другое - полупрозрачное с коэффициентом пропускания 0,5. Максимальная выходная мощность в частотно-импульсном режиме - 3 кВт при КПД 15% .

Опыты показали, что при L < 5 мГн = 2d/s разряд не зажигается, а при L>10 мГн = d/sf сказывается влияние индуктивности на основной разряд, что приводит к снижению Рвкл и выходной мощности. Было испытано несколько сеток с различными значениями размера ячейки l. При l = 0,4 см, расстоянии между электродами dэ = 1 см (dэ > 2 l) наблюдалось неустойчивое горение разряда со снижением выходной мощности. При l = 0,6 см, dэ = 1 cм (dэ < 2 l) и dэ = 1,2 (dэ = 2 l) разряд горел устойчиво, причем далее от dэ выходная мощность практически не зависела.

Из вышеизложенного видно, что увеличились мощность излучения и КПД. (56) 1. G. J. Derenberg, E. L. Roy and W. B. Meknight, IEEE J. Quantum electroniсs, 1972, v QE-8, N 2, р. 38.

2. Голубев В. С. , Лебедев Ф. В. Инженерные основы создания технологических лазеров. М. : Высшая школа, 1988, с. 63-66. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий диэлектрическую разрядную камеру, внутри которой установлены основные электроды и расположенный вдоль боковой стенки камеры электрод ионизации, изолированный от газовой среды лазера диэлектриком, источник постоянного напряжения, подключенный к основным электродам, и генератор периодических импульсов, первый вывод которого подключен к электроду ионизации, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности и КПД, в лазер введена индуктивность, первый основной электрод выполнен в виде металлической пластины и установлен на боковой внутренней поверхности разрядной камеры напротив электрода ионизации и подключен к второму выводу генератора периодических импульсов, второй основной электрод выполнен в форме плоской сетки и установлен между первым электродом основного разряда и электродом ионизации на расстоянии от электрода ионизации меньшем удвоенного наименьшего размера ячейки сетки, причем второй основной электрод подключен к источнику постоянного напряжения через индуктивность.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru