Газоразрядный импульсный проточный лазер

ОЮЗ СОВЕТСНИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 2404 4(5 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ"Ехгеп 1 Й 1 ез.есггопдсз,мпульсный овторения ИМПУЛЬСНЫЙ,ий устрой-,ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИ(56) 1. РцщапсМп Е. ег а 1.з 1 оп оГ ТЕА СО, 1 азег СараЬ1 ЕЕЕ 1 оцгпа 1 оГ Яцапцш Е 1уо 1, 8, Р 82, р, 163, 1972,2. Баранов В 10. и др. Илазер с высокой частотой иимпульсов. Теплофизика высоких тператур, 15, нып. 5, 972, 1977;ПРОТОЧЙЫЙ ЛАЗЕР, содержащ ство для прокачивания рабочей смеси по замкнутому контуру., разрядную/ камеру, о т л и ч а ю щ и й с я 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 кривошгпно-шатунного механизма, а на входе в разрядную камеру установлена диэлектрическая стенка, снабженная обратным калапаном.аф724041 2, Лазер по п, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью увели" чения мощности путем увеличения частоты следования электрических . Разрядов, диэлектрическая стенка выполнена в виде поршня дополнительного кривошипно-шатунного механизма,снабженного маховым колесом, приэтом обакривошипно-шатунных механизма механически связаны между собой. Устройствобразом,1 2Изооретение относится к области в виде размещенного в разрядной камеквайтовой электроники и может быть , ре поршня иэ диэлектрического матери- использовано при проектировании ала, снабженного обратным клапаном и1 электроразрядныхгазовых лазеров. соединенного с маховым колесом посредИзвестен газовый проточный лазер, ством кривошипно-шатунного механизма, работающий в импульсно-периодическом 5 а на входе в разрядную камеру уста- режиме 13, в котором инверсная засе- новлена диэлектрическая стенка, снабленность создается при возбужденииженная обратным клапаном. импульсного разряда в потоке газа. В таком лазере с целью увеличения При этом направление движения потока мощности путем увеличения частоты газа совпадает снаправленйемлазер-, 10 следования электрических разрядов, ной оси, вдоль которой электродная диэлектрическая стенка выполнена всистема имеет наибольшую длину. Такое . виде поршня дополнительного кривошип- Направление потока газа ограничивает но-шатунного механизма, снабженного частоту следования импульсов лазера, маховым колесом, при этом оба кривотак как необходимо, чтобы за время , 15 шипно-шатунных механизма механически между импульсами сменился весь объем связаны между собой. газа в разрядных промежутках электродной системы. На фиг. 1 показана принципиальнаяЭтот недостаток Устранен в извест" ,схема устройства, на фиг, 2-б основном лазере 21, где разряд возбужда ные положения подвижных частей устается в направлении, перпендикулярном ,новки в процессе работы,1 на фиг. 7 -направлению движения газа и оптичес- РЧ-диаграмма термодинамическихкой оси лазера, Лазер содержит замкну- процессов, происходящих с газовойтый газовый тракт с электродами, теп- .смесью в камере для создания инверснойлообменником и среДством для прокачки 25 заселенности; на фиг. 8 - схема устгаза. ройства с двумя кривошипно-шатуннымиСущественным йедостатком известных механизмами.устройств является их низкий ИЩ, всвязи с наличием энергетически мощных : устройство состайт из разрядной агрегатов для прокачивания газовой ЗО камеры 1 с приспособлением для1среды по контуру, При этом, с увели- импульсного создания инверсной засечением частоты импульсов необходимая ленности молекул газовой среды, оп степень сжатия и расход газа увели- тичесКого резонатора 2, поршня 3 чиваются. В результате этого удельные прямоугольного сечения с кривошипно-шазатраты энергии на прокачивание га-тунныммеханизмом имаховым колесом 4, вовой среды сильно возрастают, что диэлектрической стенки 5, установлен- также приводит к снижению полного ной на входе в разрядную камеру, обратными впускными и выпускными клапа,нами 6, причем впускные (выпускные)Целью изобретения является повы- клайапы находятся на неподвижнойшение КПД, увеличение удельного стенке 5, а выпускные (впускные)40энерговклада и уменьшение габаритов. на поршне 3.Эта цель достигается тем, чтоустройство для прокачивания рабочей о работает следующимсмеси по замкнутому контуру выполнено45041 3 . 724С помощью электродвигателя, вал которого жестко связан с осью махового колеса 4, маховое колесо раскручивается до заданной угловой скорости. В начальный момент времени Фо, когда поршень занимает положение А (см. Фиг. 2) в камере 1 осуществляется импульсный подвод энергии, в результате чего создается инверсная заселенность, Через некоторое время. 10 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 РЧ-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).25 Возникающая в камере сила давления газовой смеси, воздействуя на поршень, сообщает ему импульс. В результате инерции махового колеса и сообщенного импульса поршень пере мещается в положение В (см. Фиг. 3, на РЧ-диаграмме - см. Фиг. 7 - процесс 7 -8). Гаэ при этом расширяется до первоначального 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 РЧ-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, находящиеся . в стенке 5, в камеру поступает свежая газовая смесь (на РЧ-диаграмме - см, фиг. 7 - процесс 10-7). В 50 положении А (см. Фиг, 2), когда поршень отодвинется на расстояние размеров камеры, вновь осуществляется импульсный подвод энергии и цикл повторяется. В результате реализуется 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 1 определяется Формулой: срдгде с,- время, за которое маховоеколесо делает один оборот;Чср- средняя скорость поршня;д - ход поршня.Как видно из Формулы, частота ра". боты установки может быть повышена за счет увеличения Чср и уменьшения д. Чср зависит от массы поршня, прочности материалов, из котордго он изготовлен, и поэтому является величи-ной вполне определенной. Поэтому реальное увеличение частоты можно получить только эа счет уменьшения д . Однако это приведет к уменьшению объема камеры, и следовательно, энергииимпульса.Тем не менее можно уменьшить ход поршня д, 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 импульсе- остается 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 технико является получение инверсной заселеннбсти молекул газовой смеси, предварительно охлажденной до низкой температуры (100-150 К). В этом случае существенно повышаются удельные энерговклады в импульсе, улучшается устойчивость разряда, а также появляется возможность получить, 35В . 724СО-излучание в более глубокой инфракрасной области, чем 10,2 мкм, чтопредставляет собой интерес при реше-" нии ряда практических задач.В настоящее время одним из способов охлаждения газовой смесийвляется"бхлаждение в сверхзвуковом потоке,Однако это решение требует значительных энергетических затрат, связанныхс созданием необходимого перепада 1 О .давления.В устройстве можно охлаждать газо- .вую смесь в камере, также используяэффект расширения. Для этого необходимо лишь предусмотреть устройством 15пропускающее ограниченное количествогазовой смеси в разрядную камерус таким расчетом, чтобы к моментуприхода поршня (или поршней, в случае схемы с двумяпоршнями, см,фиг. 8) в положение А (непосредственно перед разрядом, фиг. 2, 6) в камею ру поступило бы такое количествох жгазовой смеси, которое обусловило бынеобходимую плотность У а, соедовательно, исходя из условия адиабатич-,нпсти процесса расширения,и температуру Т в разрядной камере Как известно, соотношение междуи Т в адиабатическом процессеопределяется формулой(,)где- показатель адиабаты. Если температура газовой смеси,поступающей в разрядную камеру черезклапаны, равна Те, температура охлажденной в результате расширения газовой смеси -Т, а температура послеэнерговклада -Т, то величина энер";гии, которую необходимо затратить наохлаждение газовой смеси, определяетКся формулой для адиабатического процесса;охи С мРо )где С - удельная теплоемкость газовой смеси при постоянномобъеме,Энергия, которая подводится к газовой смеси в результате газового разряда, определяется формулой для изохорического процесса:, по-Сч 0 М1так как Т ) Т ) 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 энерго- вклады, а также улучшить удельные несо"габаритные характеристики./а т юв 1 и Ева Ю Ив Подписное 035, Москва, Ж, Раушска 4 5 ЮЕЕЕЮ ЕВШйшййшют Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Филиал каз 541/3 Тираж 638ВНИИПИ Государственного копо делам ивобререний и итета СССткрытий