Газовый лазер с вч-возбуждением

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании технологических газовых лазеров . Целью изобретения является увеличение мощности и улучшение пространственных характеристик излучения, упрощение технологии изготовления и повышение надежности работы лазера. В лазере с ВЧ- возбуждением электроды выполнены профилированными и образуют волноводы, ограничивающие полость оптического резонатора . На рабочую поверхность электродов нанесено неметаллическое покрытие с низкими волноводными потерями, обладающее меньшим, чем материал электродов, эффективным коэффициентом вторичной эмиссии. Изобретение обеспечивает сфазированный режим генерации во всех волноводах. 10 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4464066/25 (22) 29.07.88 (46) 23.04.91. Бюл. № 15 (71) Институт проблем механики АН СССР (72) П. П. Витрук и Н. А. Яценко (53) 621.375.8(088.8) (56) Патент Франции № 2108912, кл. Н 01 S 3/00, опублик. 1972.

Патент США № 4688228, кл. 331-94,5, опублик. 1987. (54) ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ВЧ-ВОЗБУЖДЕНИЕМ (57) Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании технологических газовых лаИзобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании технологических газовых лазеров.

Цель изобретения — увеличение мощности и улучшение пространственных характеристик излучения, упрощение технологии изготовления и повышение надежности работы лазера.

На фиг. 1 — 10 изображены электродноволноводные системы газового лазера, поперечное сечение (оптическая ось резонатора перпендикулярна плоскости чертежа) .

Лазер содержит профилированные металлические электроды 1 и 2, на рабочие поверхности которых нанесено неметаллическое покрытие 3. Минимальное расстояние между электродами d выбирается из соотношения

А

Изобретение обеспечивает сфазированный режим генерации во всех волноводах. 10 ил. лом покрытия электродов и частотой ВЧ-источника питания;

Р— давление рабочего газа.

С обоих торцов электродно-волноводной системы установлены зеркала 4 оптического резонатора. Штриховыми линиями на фиг. 1 — 10 выделены межэлектродные объемы двух соседних друг с другом волноводов.

Объем 5 на фиг. 1 — 6 является общей, пересекающейся частью двух волноводов 6 и 7, тогда как объем 8 на фиг. 7 — 10 является только пограничным для соседних волноводов 9 и 10. На фиг. 9 показано подключение электродов к ВЧ-источнику 11 питания и системе 12 охлаждения (например, водопроводная сеть), изображены стенки разрядной камеры 13.

Лазер, например СО-лазер, работает следую щи м о бр аз о м.

После включения протока хладагента через электроды, заполнения разрядной камеры смесью СО2. N . Не=1:1:3 при давлении 20 Тор, подачи ВЧ-напряжения частотой

81 МГц на электроды 1 и 2 с обеспечением

1644269 з слаботочного режима горения разряда и юстировки зеркал 4 оптического резонатора возникает лазерная генерация. Длина оптического резонатора и все характерные размеры электродно-волноводного профиля определяются условием волноводности распространения лазерного излучения в резонаторном объеме и выбираются на практике эмпирически при оптимизации лазера с точки зрения фазовой синхронизации излучения из волноводов. Взаимное расположение электродов таково, чтобы минимальное расстояние между ними удовлетворяло указанному выпье неравенству.

Предельные значения di и d имеют следующий физический смысл: di — толщина приэлектродных слоев пространственного заряда, в которых лавинным размножением вторично-эмиссионных электронов можно пренебречь, т. е слои обладают чисто емкостной проводимостью (с точностью до ионных токов насьпцения); dz — предельная длина плазменного столба, при превышении которой минимальное напряжение в емкостных приэлектродных слоях пространственного заряда становится больше напряжения пробоя емкостных слоев с участием вторично-эмиссионных процессов. Для указанных разрядных условий С =1,6 ° 10" см*Гц, С=— — — — 50 см Тор и di=0,02 см, dz=2,5 см.

Опытным путем установлено, что оптимальными размерами в данных условиях являются: величина межэлектродного зазора =4 мм, поперечное сечение волновода (4+4 — 10) мм и длина волновода =46 см.

В общем случае значения констант С1 и С2 находят эмпирически по следующей методике. Фиксируют величину межэлектродного зазора d и при разных значениях Р исследуемой смеси газов измеряют минимальное значение ВЧ-напряжения на электродах

U„„„(P), при котором еще может стационарно существовать слаботочная форма ВЧразряда. Затем повышают напряжение на электродах до величины U„„(P), при котором происходит срыв слаботочного ВЧ-разряда в сильноточный режим горения. Измеряют U„„(P) . С ростом P U„„„(P) U„„ (P). Значение Р, при котором U„,-,,Q

X (P) =U„„(Р), является критическим для данного d. Йзменяя межэлектродный зазор d и повторяя описанные измерения для каждого d, получают зависимость P=f(d), из которой находится С2. Аналогично определяется Сь

Эффективное охлаждение активной среды обеспечивается как ребристой поверхностью охлаждаемого электрода, так и небольшой толщиной газового промежутка.

Небольшой межэлектродный зазор, высокая частота возбуждения и электродное покрытие с малым эффективным коэффициентом вторичной эмиссии обеспечивают слаботочный режим ВЧ-разряда, единственно пригодный для накачки СО>-лазера с диффузионным охлаждением в щелевом зазоре. Увеличенная за счет профилирования поверхность электродов повышает (в 1,4 раза для варианта, представленного на фиг. 1, и в 2 раза для варианта, представленного на фиг. 5) мощность выходного излучения по сравнению с лазерами с плоскими электродами.

Формула изобретения

Газовый лазер с ВЧ-возбуждением, содержащий размещенные в рабочей камере металлические электроды, подключенные к ВЧ-источнику питания, и оптический резонатор, полость которого образована регулярным набором одинаковых сообщающихся волноводов, установленных вдоль оптической оси резонатора, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности и улучшения пространственных характеристик излучения, упрощения технологии изготовления и повышения надежности работы лазера, электроды выполнены профилированными и расположены так, что волноводы образованы про50

Разбиение щелевого межэлектродного объема с помощью профилирования электродов на сообщающиеся волноводы и нанесение на электроды неметаллического покрытия с низкими волноводными потерями обеспечивают высокий электрооптический

КПД лазера, простую настройку резонатора и стабильную во времени лазерную генерацию, сфазированный режим генерации во всех волноводах. Высокая степень когерентности излучения обусловлена тем, что обеспечивающие фазировку пограничные области волноводов принимают участие в лазер ной генерации и являются своеобразными синхронизирующими и задающими генераторами. Выполнение электродов профилированными позволяет увеличить поверхность электродов и тем самым увеличить энергосьем лазерного излучения с единицы длины резонатора, а также обеспечивает волноводный и сфазированный режим генерации, что повышает степень когерентности и уменьшает расходимость лазерного излучения.

Получение в лазере слаботочного режима горения ВЧ-разряда позволяет заполнить весь межэлектродный объем внутри волноводов (за исключением тонких приэлектродных слоев пространственного заряда, обеспечивающих устойчивость разряда) плазмой с необходимыми лазерными характеристиками. Кроме того, в лазере достигается высокий (по энерговкладу) порог перехода разряда в сильноточный режим и срыва лазерной генерации. Отсутствие в разрядном

40 объеме диэлектрических элементов сложной конфигурации упрощает конструкцию, что повышает технологичность изготовления и надежность эксплуатации лазера.

1644269 гдето, = — С, А= —; С

С2, P

d1(d(d, Б 7 б 7

Фиг4

3 5

Фиг.5

5 филированными рабочими поверхностями электродов, при этом на рабочую поверхность электродов нанесено неметаллическое покрытие, обладающее меньшим, чем материал электродов, эффективным коэффициентом вторичной эмиссии, а минимальное расстояние между электродами d удовлетворяет следующему соотношению:

5 б 7 (< ) константа, определяемая родом рабочего газа; частота ВЧ-источника питания; константа, определяемая родом рабочего газа, материалом покрытия электродов и частотой ВЧ-источника питания; давление рабочего газа.

1644269

Фиг. 7

Составитель Ю. Смаковский

Редактор Н. Тупица Техред А. Кравчук Корректор О. Кравцова

Заказ 1245 Тираж 314 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 101