Импульсно-периодический co2 -лазер

 

Сущность изобретения: в лазере, в котором, по крайней мере, катод выполнен из перовскитоподобной керамики, в газовую смесь разрядной камеры, состоящую из углекислого газа, азота, гелия, добавляют окись углерода, окись азота и кислород, а также смесь водорода и дейтерия. Суммарное содержание водорода и дейтерия не превышает 10%. Содержание кислорода в смеси находится в пределах 0,4 % [O2] 1,8 % . Количество окиси углерода определяется по формуле [CO]+[O2]= AW[CO2] , где А(1,5 +- 0,08) - коэффициент пропорциональности, см3/Дж ; W - удельная энергия, вводимая в газовую среду, Дж/см3 . Содержание окиси азота составляет 0,03%. 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании электроразрядных импульсно-периодических СО2-лазеров.

Известен импульсно-периодический СО2-лазер с электродной системой, образованной металлическими анодом и катодом, через которую прокачивается газовая среда, состоящая из смеси: СО22-Не-Н2-СО [1].

Недостатком такого лазера является изменение химического состава газовой среды вследствие диссоциации активных молекул СО2 в начальный период работы под действием возбуждающего разряда, что приводит к уменьшению средней мощности излучения.

Известен также импульсно-периодический СО2 - лазер с электродной системой, образованной металлическими анодом и катодом из перовскитоподобного материала, через которую прокачивается газовая среда, состоящая в начальный момент из смеси: СО22-Не. Под действием возбуждающего разряда в лазере также происходит изменение химического состава газовой среды и появления новых компонент: СО, СО2, NO, что, в конечном итоге, приводит к установлению равновесного химического состава и стабилизации средней мощности излучения [2].

Недостатком данного лазера является диссоциация активных молекул СО2 в начальный период работы, что приводит к уменьшению средней мощности и стабильности излучения лазера.

Целью изобретения является увеличение средней мощности и стабильности излучения лазера.

Указанная цель достигается тем, что в импульсно-периодическом СО2-лазере, содержащем источник возбуждения, оптический резонатор и разрядную камеру, заполненную рабочей смесью, состоящей из углекислого газа, азота и гелия, а также расположенную в разрядной камере электродную систему, в которой, по крайней мере, катод выполнен из перовскитоподобного материала, рабочая смесь дополнительно содержит водород и/или дейтерий, а также окись углерода, окись азота и кислород, при этом, концентрации компонент рабочей смеси удовлетворяют следующим соотношениям: [H2] + [D2] 10% [H2] 10% [D2] 10%, [CO] + [O2] = A [CO2]; 0,4% [O2] 1,8; [NO] = 0,03%.

Добавление водорода, дейтерия или их смеси в газовую среду необходимо в качестве катализатора реакции восстановления активных молекул СО2, диссоциирующих под действием разряда, что приводит к увеличению средней мощности и стабильности излучения лазера. При увеличении концентрации водорода или дейтерия до 10% растет скорость восстановления молекул СО2, при этом, возрастает стабильность излучения, а средняя мощность, практически, не изменяется. Дальнейшее увеличение концентрации водорода или дейтерия приводит к увеличению скорости восстановления СО2, а также к увеличению стабильности излучения лазера, но отрицательно сказывается на средней мощности излучения.

На фиг. 1 продемонстрирована каталитическая способность водорода. На кривой 1 приведена доля восстановленного СО2 в смеси, СО:О2:H2 : He = 12:6: 20:62 при атмосферном давлении под действием разряда с удельным энерговкладом 0,3 Дж/см3 в зависимости от числа разрядных импульсов. На кривых 2, 3 и 4 аналогичные зависимости с добавлением в исходную смесь 5% и 10% водорода и смеси водорода и дейтерия в соотношении 1:1, соответственно.

Присутствие окиси азота в газовой среде, необходимо с целью осуществляется объемного характера разряда в смесях с высоким содержанием окиси углерода и кислорода, а также для поддержания высокой концентрации активных молекул углекислого газа. Если концентрация окиси азота [NO] < 0,02%, то состав рабочей среды стабилизуется на более низком уровне (с точки зрения концентрации СО2), чем первоначальный. Это приводит к уменьшению средней мощности излучения лазера. Если концентрация окиси азота [NO] > 0,04%, то нарушается объемный характер разряда и средняя мощность излучения уменьшается до нуля.

Добавление в рабочую смесь кислорода и окиси углерода необходимо для создания условия квазиравновесия реакции диссоциации молекул СО2, что приводит к увеличению и стабилизации средней мощности излучения лазера. Концентрация молекул кислорода должна составлять 0,4% < [O2] < 1,8%. При концентрации кислорода меньше 0,4% скорость реакции восстановления будет меньше скорости реакции диссоциации, что приведет к уменьшению количества молекул СО2 и соответственно, уменьшению средней мощности и стабильности излучения лазера. При концентрации кислорода больше 1,8% ухудшается устойчивость объемного разряда, что приводит также к уменьшению средней мощности и стабильности излучения лазера.

Предложенный импульсно-периодический газовый лазер реализован в виде СО2-лазера, состоящем, из разрядной камеры с полным объемом 3,5 литра. В камере размещен промежуток с возбуждаемым объемом 5 см3, катод которого выполнен из перовскитоподобного материала La0,7 Sr0,3 CoO3. Через промежуток прокачивается приготовленная в смесителе, газовая смесь, состоящая из: CO2: N2:He = 50:33:17, к которой добавлялись: а) CO:O2:H2:NO = 22,1%:0,4%:5,0%:0,03% б) СО:O2:H2:NO = 21,5%:1,0%:5,0%:0,03% в) CO:O2:H2:D2:NO = 20,7%:1,8%:8,0%:2%:0,03% г) CO:O2:H2:NO = 20,7%:1,8%:13,0%:0,03% соответственно, общее давление в лазерной камере поддерживалось атмосферным.

На фиг. 2 приведены графики изменения средней мощности излучения, кривые 5, 6, 7, 8 соответственно. Резонатор лазера образован медным зеркалом с коэффициентом отражения 98% , радиусом кривизны Р = 5 м и плоско-параллельной пластинкой их из Zn Se с коэффициентом отражения 85%. Энергия, вводимая в газовую смесь за один импульс, составляла 1,5 Дж (0,3 Дж/см3). Энергия излучения в импульсе составляла: для смеси а) 53 мДж (10,6 мДж/см3), средняя мощность 2,65 Вт; для смеси б) 50 мДж (10 мДж/см3), средняя мощность 2,50 Вт; для смеси в) 45 мДж (9 мДж/см3), средняя мощность 2,25 Вт; для смеси г) 36 мДж (7,2 мДж/см3), средняя мощность 1,80 Вт.

Средняя мощность излучения лазера изменялась не более, чем на: для смеси а) 4%, для смеси б) 2,5%, для смеси в) 1,5%, для смеси г) 1,5%, при числе включений N = 8 105.

Импульсно-периодический лазер обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом:
-обеспечивает более высокую среднюю мощность и стабильность излучения, так как на начальном этапе работы позволяет исключить период времени, в течение которого средняя мощность лазера уменьшается до нуля, отсутствует, а затем, возрастает до стационарного значения.


Формула изобретения

ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ CO2 -ЛАЗЕР, содержащий источник возбуждения, оптический резонатор и разрядную камеру, заполненную рабочей смесью, состоящей из углекислого газа, азота и гелия, а также расположенную в разрядной камере электродную систему, в которой по крайней мере катод выполнен из перовскитоподобного материала, отличающийся тем, что, с целью увеличения средней мощности и стабильности излучения, рабочая смесь дополнительно содержит водород и/или дейтерий, а также оксиды углерода и азота и кислород, при этом концентрации компонент рабочей смеси удовлетворяют следующим соотношениям:
[H2] + [D2] 10%; [H2] 10%; [D2] 10%; [CO] + [O2] = AW[CO2]; 0,4% [O2] 1,8%; [NO] = 0,03%,
где A = 1,5 - 0,08 - коэффициент пропорциональности, см3/Дж, W - удельная энергия, вводимая в рабочую смесь, см3/Дж.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области квантовой электропики и может быть использовано при разработке лазерных смесей для электроионизационных непрерывных и импульсно-периодиче ските СО -лазеров

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при производстве возбуждаемых поперечным разрядом отпаянных СО2 лазеров с высокой долговечностью

Изобретение относится к устройству для возбуждения молекул и атомов газа в системах накачки газовых лазеров. Устройство представляет собой кювету в виде вытянутого параллелепипеда или цилиндра, имеющего внешний корпус из изоляционного материала. Внутри корпуса вдоль стен кюветы, параллельно друг другу, расположены сетчатые электроды - анод и катод. Пространство между электродами представляет собой разрядную камеру для осуществления горения тлеющего разряда. В зонах между каждой сеткой-электродом и внутренней поверхностью кюветы образованы камеры, выполняющие роль формирователя газового потока. В каждую из камер осуществляется индивидуальный подвод газа. При этом в одной из боковых стенок газовой кюветы выполнена щель для выпуска из разрядной камеры потока возбужденных молекул или атомов газа в область резонатора, генерирующего поток излучения. Технический результат - снижение габаритов и мощности устройства при сохранении энерговклада. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Импульсно-периодический co2 -лазер, мощность излучения лазера, мощность лазера

Наверх