Электроразрядный лазер

о; ю .у;",нз.ЯЦ, А Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 2001,78 (21)2571797/18-25с присоединением заявки йо(23) ПриоритетОпубликовано 150381 Бюллетень Мо 10Дата опубликования описания 180381 Н 01 5 3/09 Государственный комитет СССР о делам изобретений и открытий(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 уровнем мощности излучения.Известен электроразрядный непрерывный лазер, способный Функционировать с высокой эффективностью при значительном давлении активной среды Г 1 1.Лазер состоит из газовой кюветы, резонатора, системы электродов для возбуждения разряда, источников питания и скоростной системы прокачки газа, 15Недостатками его являются низкая скорость поступления энергии в активную среду и, следовательно, низкая мощность излучения, высокая амплитуда высоковольтных импульсов, необходи 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 повьыается надежность и долговечность тиратрона, возрастает средняя мощность, облегчаются изоляционные условия. 30 Наиболее близким по техническойсущности к предложенному устройствуявляется электрооазрядный лазер, содержащий кювету с двумя профилирозанными электродами, один из которыхзаземлен, и установленным между ними промежуточным электродом, и систему предионизации, включающую импульсный источник питания 2 .В известном лазере на катоде расположена система электродов предварительной ионизации, отделенная откатода диэлектриком. Один газовыйпоток протекает в области катод-сетка, другой поток, имеющий собственную систему прокачки, протекает вобласти сетка-анод. Направление потоков и давление газов одинаково,вследствие этого газовые потоки практически не перемешиваются. В промежутке катод-сетка протекает Не иликакой-либо другой инертный газ. В промежутке сетка-анод протекает смесьгазов, которая может состоять из СО,й, Не,Недостатками этого лазера являются низкий КПд и малая надежность,чтоявляется следствием применения длянакачки газовой смеси импульсногоисточника питания. В этом случае воз 713468буждение рабочей смеси осуществляется самостоятельным разрядом и невозможна раздельная регулировка концентрации электронов и напряженности электрического поля Е, вследствие чего основная доля энергии вводится в рабочую смесь при Е значительно больших, чем требуется для оптимальной накачкиколебательных уровней молекул углекислого газа и азота, Вследствие этого КПД лазера невысок 10-12%. Кроме того, импульсный источник питания10 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 прокачных систем: для инертных газов и 20 для рабочей смеси газов, и низкая эффективность использования рабочего объема, обусловленная тем, что часть объема занята разрядом в инертном газе и не генерирует излучение. 25Целью изобретения является увеличение КПД, повышение надежности, увеличение срока службы и упрощение конструкции.Указанная цель даст,"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 40д - д =+ - Ь А 1 В где д - расстояние между заземленным профилированным и промежуточным электродами;д - расстояние между вторым профилированным электродом ипромежуточным электродами;Ь - расстояние между профилированными электродами;В = + (45-60) , коэфВсм, мм. рт. ст,фициент, учитывающий условиязажигания импульсного самостоятельного разряда в межэлектродных промежутках;А = + (4-18) - , коэфВсм,мм.рт,ст.фициент, учитывающий оптимальные условия накачки. 60Знакучитывает направление вектора напряженности электрического поля.На фиг. 1 изображен предложенный лазер, продольное сечение; на фиг.2 то же, поперечное сечение 1 на фиг.3приведена блок-схема лазера,Лазер состоит из электродов 1, 2предварительной ионизации, потенциального профилированного электрода 3,промежуточного электрода 4, например, в виде сетки, профилированногоэлектрода 5, находящегося под потенциалом земли; и резонатора, состоящего из зеркал 6, 7, помещенных вразрядную камеру 8, К профилированным электродам 3, 5, выполненным попрофилю Роговского, Брюса или Чанга,подключен стационарный источник 9питания, Источник 10 импульсного напряжения подключен к промежуточномуэлектроду 4 и к профилированнымэлектродам 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 черезконденсаторы 11. Источник 9 постоянного напряжения выполнен в виде батареи 12 конденсаторов, заряженнойцо напряжения О, Импульсное напряжение подается на профилированные электроды 3, 5 через конденсаторы 13, 14,заряженные до напряжения О , а на1промежуточный электрод - через тиратрон 15. В цепь зарядов батареи 12включено сопротивление 16, а в цепьзаряда конденсаторов 13, 14 включеносопротивление 17.Место установления сетки электрода 4 выбирается из условия равенстваэлектрического поля в объемах междуэлектродами 3-4 и 4-5 при приложениик сетке высоковольтного импульса О,создающего плазму, Связь между прикладываемым напряжением, напряженностью поля и межэлектродным расстоянием очевиднаО 1 - (+ Оа )3-4 д3-4 От - (+О )тогда - 3-ддФ, О 2где ЕЗ , 6 дд 3 д и "д 4- напряженности электрического поля и расстояния между электродами 3-4 и 4-5 соответственно.Лазер работает следующим образом.В исходном состоянии батарея 12 конденсаторов заряжена по цепи: сопротивление 16 - батарея 12 конденсаторов - земля, до напряжения О Конденсаторы 13, 14 заряжены до напряжения О противоположной полярности О, по цепям: сопротивление 17 конденсатор 13 - батарея 12 конденсаторов - земля и сопротивление 17 - конденсатор 14 - земля. Поскольку С1 и С,С а О) О то зарядКонденсаторы 11 не заряжены. После подачи импульса на сетку тиратрона 15, он открывается и напряжение О передается на сетку и промежутки между электродами 2-1, На фронте этого импульса зажигается вспомогательный разряд в этих промежутках, производящий предвьрителььую 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 жуток между электродами 4-5 (3-4), в котором еще не зажегся разряд, действует напряжение О, электроны и фотоны разряда, приходящие из промежутка между электродами 3-4 (4-5), 2 О В 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 4- 5 до О, в промежутках создается плазма с заданной концентрацией электронов, После этого вследствие воздействия на промежуток между электродами 3-4 напряжения (-О ) потенциал сетки 4 меняет знак на обратный и тиратрон 15 закрывается. Плазма сопротивлением К , созданная на стадии самостоятельного разряда, проводит З 5 ток, которым производится накачка рабочей среды лазера, Поскольку при оптимальном с точки зрения накачки лазера напряжении О , воздействующим1на плазму, ионизация среды не воспол( няет убыль заряженных частиц вследствие рекомбинации, ток уменьшается. Поддержание разряда непрерывным восполнением зарядоносителей осуществляется с помощью импульсного напряжения О, 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 задаваемям средним уровнем мощности рязряда, давлением и сортом газа. Эту частоту легко подобрать из условия: интенсивность когерентного излучения (коэффи 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 30, частота следования импульсов составляет 10 кГц.Предложенный лазер обладает более высоким КПД, поскольку накачка рабочей смеси осуществляется при опти мальной напряженности электрическогополя, Это достигается тем, что с помощью импульсного самостоятельногоразряда, на возбужцение которого затрачивается незначительная энергия,задается необходимая начальная концентрация электронов, а основнаяэнергия вводится на стадии несамостоятельного разряда, энергия на поддержание которого в оптимальных условиях поступает от источника постоянного напряжения,Большая надежность и срок службыустройства обеспечивается тем, чтокоммутирующий элемент установлентолько в цепи маломощного самостоятельного разряда, а напряжение зажигания самостоятельного разряда в двараза ниже, поскольку напряжение подается на вспомогательный электрод,являющийся общим для обоих межэлектродных промежутков,Упрощение конструкции достигаетсяпутем применения единой системы прокачки газа, общей для обоих межэлектродных промежутков. Формула изобретения д "д =ф=Ь А а8где б расстояние между заземленным профилированным и промежуточным электродами; расстояние между вторым профилированным и промежуточным электродами;расстояние между профилированными электродамиВсм.мм.рт.ст.фициент учитывающий оптимальные условия накачки; фициент, учитЫвающий условия зажигания импульсного самостоятельного разряда в межэлектродных промежутках. А =+ Электроразрядный лазер, содержащий кювету с двумя профилированными электродами, один из которых заземлен, и установленным между ними промежуточным электродом, систему предионизации, включающую импульсный источник питания, о т л и ч а ю щ и й с я 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, Мм 1 в713168Арр (ед Раув)сь, 1972, ч. 43, 9 8,р, 3411.2, Патент СЫй Р 38423 бб,кл, 331-94.5, опублик. 1974 (прототип),(Ьиг 2 Фига оставитель А, Царькехред М.Рейвес едактор Т, Морозов а ректор О. аказ 1598/4 035 ПП "Патент", г. Ужгород, Ул, Проектна лиал Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. 3 .Р. беу, Рц)ьег/5 исапегеесг)с-дьсЬаг 9 е )ааег, оогга 1 оГ Тираж 63НИИПИ осУпо деламМосква рственного зобретенийК, Рауш Подписн комитета С и открытий кая наб