Газовый лазер

 

Газовый лазер относится к области квантовой электроники и может быть использован в ТЕ-лазерах, таких как азотные, СО₂ и эксимерные лазеры. Для создания компактного устройства с высокой надежностью работы лазер состоит из газонаполненной камеры, полого металлического держателя, укрепленного в торцах камеры и открытого с обоих торцов, на котором закреплены первый и второй электроды. Первый электрод закреплен на держателе с помощью крепежных элементов через отверстия на противоположной электроду стороне держателя и отделен от держателя изолятором. Второй электрод соединен с держателем токоведущими элементами. Источник питания подсоединен к электрическим вводам первого электрода и держателю с обоих торцов камеры лазера. 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

Предполагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к газовым лазерам, и может быть использовано в ТЕ - лазерах, таких как азотные, CO₂, а также эксимерные лазеры.

Известен газовый лазер, содержащий газонаполненную камеру, пару электродов, смонтированных на держателе [1].

Недостатком данного устройства является расположение в лазерной камере с рабочей газовой смесью элементов электрической схемы, таких как обострительные конденсаторы. Конденсаторы расположены вблизи области разряда, и при работе лазера под действием жесткого ультрафиолетового излучения на поверхности конденсатора происходят фотохимические реакции, приводящие как к разрушению конденсаторов, так и к деградации лазерной смеси. Кроме того, при высокой частоте следования импульсов нагретый в зоне разряда поток газа отдает часть тепла конденсаторам, что приводит к их разрушению. В эксимерных лазерах, содержащих галогены, контакт агрессивных газов с поверхностью конденсатора ведет к деградации рабочей газовой смеси. Недостатком является и то, что подвод напряжения к электроду, расположенному на держателе, осуществлен с одного торца камеры лазера, что ведет к увеличению индуктивности сильноточного электрического контура и тем самым снижает КПД лазера.

Для подвода напряжения к другому электроду требуются отверстия в боковой поверхности камеры лазера, что усложняет герметизацию камеры и уменьшает прочность конструкции при работе лазера в режиме высоких давлений.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является лазер, содержащий газонаполненную камеру, электроды и герметичный полый держатель, на котором закреплены электроды, а в полости держателя расположена импульсно-формирующая схема, соединенная с электродами через отверстия в боковой поверхности держателя [2].

Недостатком прототипа является то, что для обеспечения совместимости с галогенами держатель выполнен из диэлектрического материала, такого как керамика или химически нестойкий в рабочей газовой среде лазера диэлектрик с покрытием, стойким в лазерной газовой среде, например, керамическим. В полости держателя расположена импульсно-формирующая схема, поэтому держатель имеет большие габариты. Площадь поверхности диэлектрического держателя, контактирующая с химически агрессивным газом и рассеянным ультрафиолетовым излучением от разряда, определяется габаритами держателя и не может быть существенно уменьшена, что ведет к соответствующему ограничению ресурса газовой смеси. Изготовление крупногабаритного, из высококачественной, вакуумной, стойкой к галогенам керамики держателя или диэлектрического держателя с керамическим покрытием основано на сложной дорогостоящей технологии. Для обеспечения малоиндуктивного подключения электродов к импульсно- формирующей схеме в диэлектрическом держателе сделано множество отверстий, что усложняет герметизацию держателя и уменьшает его прочность при большом давлении лазерного газа. Кроме того, точное механическое закрепление электродов на держателе, выполненном из такого материала, как керамика, усложняется проблемами, связанными с механической обработкой керамики.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактного газового лазера, пригодного к работе с большими давлениями газовой смеси, с конструкцией, позволяющей свести до минимума поверхности изолирующих элементов, контактирующие с рабочей газовой смесью, обеспечивающей надежность работы лазера, низкую себестоимость и высокий КПД.

Для решения этой задачи в газовом лазере, содержащем газонаполненную камеру, полый держатель, герметично установленный внутри камеры, первый и второй протяженные электроды, закрепленные на держателе и образующие разрядную область, электрические вводы первого электрода, герметично установленные в отверстиях держателя, источник питания, один полюс которого соединен тоководом с электрическими вводами первого электрода внутри держателя, держатель выполнен из проводящего материала и электрически изолирован от корпуса, первый электрод и электрические вводы к нему отделены от держателя изоляторами, а второй электрод закреплен на держателе токоведущими шинами, второй полюс источника питания электрически соединен с держателем, держатель выполнен открытым с обоих торцов и установлен в сквозных отверстиях на торцах камеры, источник питания с обоих торцов подсоединен к электрическим вводам первого электрода и к держателю, первый электрод закреплен с помощью крепежных элементов через отверстия на противоположной электроду внешней стороне держателя, между внутренней поверхностью держателя и электрическими вводами установлены обострительные конденсаторы, держатель имеет цилиндрическую форму с плоским участком внешней поверхности, изолятор в форме пластины установлен между первым электродом и плоским участком поверхности держателя, между первым электродом и изолятором и изолятором и плоским участком поверхности держателя размещены уплотнительные прокладки, расположенные в сквозных отверстиях противостоящих ограничительных планок, причем толщина планок равна толщине прокладок в рабочем состоянии, внешние размеры противостоящих ограничительных планок одинаковы, близки к размерам опорной поверхности первого электрода, а изолирующая пластина выступает за габариты ограничительных планок.

Держатель в предлагаемом техническом решении выполнен из металла и электрически соединен с вторым электродом и вторым полюсом источника питания, поэтому он является элементом электрической схемы и данное крепление электродов образует малоиндуктивный сильноточный электрический контур и сводит до минимума поверхность изолирующих элементов, контактирующих с рабочей газовой смесью.

Источник питания первым полюсом подключен к электрическим вводам первого электрода, а другим полюсом - к держателю. Так как держатель имеет выходы в обоих торцах камеры, источник питания подсоединен к электрическим вводам с обоих концов, что уменьшает индуктивность сильноточного электрического контура и увеличивает КПД лазера.

Камера лазера электрически изолирована от держателя и других токоведущих элементов так, что не участвует в сильноточной электрической цепи и используется как экран для экранировки электромагнитного излучения разрядной цепи.

Первый электрод закреплен крепежными элементами через отверстия, расположенные на противоположной электроду внешней стороне держателя. Это позволяет уменьшить габариты держателя, так как монтаж первого электрода происходит с внешней стороны держателя, нет необходимости укреплять что-либо внутри держателя.

Изолятор, установленный между первым электродом и держателем, изготовлен в форме пластины. Между первым электродом и изолятором и между изолятором и плоским участком поверхности цилиндрического держателя размещены уплотнительные прокладки, расположенные в сквозных отверстиях противостоящих ограничительных планок, причем толщина планок равна толщине прокладок в рабочем состоянии. Это обеспечивает точность базирования электрода и крепление электрода без изгибных деформаций, что повышает качество разряда. Введение планок обеспечивает и крепление изолятора без изгибных напряжений, что позволяет использовать в качестве изолятора хрупкие материалы типа керамики, устойчивые к взаимодействию с активной газовой смесью, что увеличивает ресурс и КПД лазера.

Внешние размеры противостоящих ограничительных планок одинаковы, близки к размерам опорной поверхности первого электрода, а изолирующая пластина выступает за габариты ограничительных планок, это приводит к тому, что тангенциальная составляющая электрического поля вдоль поверхности изолятора отсутствует и условия для возникновения паразитного скользящего поверхностного разряда от границ ограничивающих планок минимизированы. Это позволяет уменьшить размеры пластины, а следовательно, свести до минимума поверхность изолирующих элементов, контактирующих с рабочей газовой смесью. Кроме того, уменьшение размеров пластины ведет к уменьшению размеров разрядной цепи, а следовательно, к уменьшению индуктивности сильноточного электрического контура и тем самым увеличивает КПД лазера. Отсутствие или уменьшение зоны паразитного разряда ведет к увеличению ресурса лазера, а также увеличивает КПД лазера.

Крепление второго электрода на держателе не требует сквозных отверстий в держателе. Такая конструкция упрощает герметизацию держателя, прочна и устойчива к воздействию высоких давлений.

Между внутренней поверхностью держателя и электрическими вводами первого электрода установлены обострительные конденсаторы, непосредственная близость которых к зоне разряда и равномерное распределение конденсаторов вдоль электродов позволяют уменьшить сильноточный электрический контур, а следовательно, индуктивность и увеличить КПД лазера.

Изготовление лазера в большей части из металлических материалов не требует больших материальных затрат, кроме того, такая конструкция прочна и надежна.

На металлическом держателе можно закрепить две и более вышеописанные электродные конструкции, что расширяет варианты использования лазера.

На фиг. 1 схематически показано поперечное сечение предлагаемого лазера.

На фиг. 2 схематически показано продольное сечение лазера по сечению А-А фиг.1.

Лазер по фиг. 1,2 содержит герметичную камеру, состоящую из металлической цилиндрической трубы 1 и установленных через уплотнители фланцев 2,3. На фланцах 2,3 через уплотнители установлены окна 4,5 для вывода лазерного излучения. Металлический цилиндрический держатель 6 установлен через уплотнения в отверстиях на фланцах 2,3 и изолирован от камеры лазера изоляторами 7,8.

На внешней поверхности держателя 6 расположен электрод 9. Между электродом 9 и держателем 6 находится изолятор 10, выполненный в виде пластины. Между электродом 9 и изолятором 10 размещены уплотнительные прокладки 11, расположенные в сквозных отверстиях ограничительной планки 12. Между держателем 6 и изолятором 10 размещены уплотнительные прокладки 13, расположенные в сквозных отверстиях ограничительной планки 14.

Крепление электрода 9 производится с помощью конструкции, образованной шпильками 15, промежуточными винт-гайками 16, изоляторами 17, винтами 18, установленными через уплотнения 19 и отверстия в противоположной электроду 9 стороне держателя 6. Шпильки 15 являются электрическими вводами электрода 9, изолированы от держателя 6 изоляторами 20, а через винт-гайки 16 электрически соединены с токоведущими шинами 21 обострительных конденсаторов 22.

Электрод 23 укреплен на держателе 6 через жесткий опорный элемент 24, являющийся токоведущей шиной.

Источник питания состоит из двух синхронизированных между собой сильноточных цепей 25,26, соединенных токопроводами с токоведущими шинами 21 и держателем 6.

В камере лазера установлены радиаторы 27 и крыльчатка вентилятора 28 прокачки рабочей газовой смеси.

Лазер работает в импульсно-периодическом режиме. От источника питания, состоящего из двух синхронизированных между собой сильноточных цепей 25,26, с обоих торцов открытого держателя 6 по токопроводам к шинам 21 и металлическому держателю 6 прикладываются импульсы высокого напряжения. Обострительные конденсаторы 22, установленные между внутренней поверхностью держателя 6 и шинами 21, заряжаются. При достижении на конденсаторах 22 напряжения пробоя разрядного промежутка между электродами возникает объемный газовый разряд, создающий условия для генерации лазерного излучения. При этом электрический ток начинает течь по электрической цепи, состоящей из держателя 6, токоведущей шины 24, электрода 23, разрядного промежутка, электрода 9, шпилек 15, винт-гаек 16 и шин 21. Генерируемое излучение выводится через окно 5.

Так как внешние размеры планок 12, 14 совпадают, а изолирующая пластина 10 выступает за габариты планок, то при прикладывании напряжения между электродами 9, 23 тангенциальная составляющая напряженности электрического поля вдоль поверхности изолятора отсутствует, условия для возникновения скользящего поверхностного разряда от границ планок минимизированы и разряд возникает лишь между электродами. Так как держатель 6 имеет цилиндрическую поверхность, то выступающие концы изолятора 10 удалены от поверхности держателя 6, что препятствует паразитным разрядам между держателем и изолятором. Планки 12 и 14 и изолятор 10 имеют простую плоскопараллельную форму, что позволяет произвести крепление электрода 9 с высокой точностью и без изгибов. Это дает возможность получить равномерный разряд по всей длине электрода, что определяет высокое качество разряда накачки.

Уплотнительные прокладки 11, 13, расположенные в ограничительных планках 12, 14, обеспечивают герметичность крепления электрода 9 на держателе 6. Так как толщина прокладок 11, 13 в рабочем состоянии равна толщине планок 12, 14, то высокое качество герметизации достигается без вытачивания дополнительных канавок в электроде 9 или в изоляторе 10, что упрощает и удешевляет изготовление соответственно электрода или изолятора.

Крепление электрода 23 произведено на держателе 6 через жесткий опорный элемент 24, являющийся токоведущей шиной, образующей малоиндуктивный электрический контур.

Цилиндрические формы камеры лазера и полого держателя выбраны для оптимизации весогабаритных характеристик лазера и работы лазера в режиме высоких давлений.

Держатель 6 открыт с торцов, и для уменьшения индуктивности сильноточной цепи накачки источник питания, содержащий синхронизированные между собой сильноточные цепи 25, 26, подсоединен к держателю 6 и токоведущим шинам 21 с обеих сторон. Для охлаждения обострительных конденсаторов и выноса образующихся при работе лазера в зонах высоких напряженностей электрического поля заряженных частиц используется продув нейтрального газа, например воздуха, через полость держателя 6.

Для работы лазера в импульсно-периодическом режиме в камере лазера расположена крыльчатка 28, создающая поток лазерного газа между электродами.

Радиаторы 27 служат для охлаждения рабочей газовой смеси.

Формула изобретения

1. Газовый лазер, содержащий газонаполненную камеру, полый держатель, герметично установленный внутри камеры, первый и второй протяженные электроды, закрепленные на держателе и образующие разрядную область, электрические вводы первого протяженного электрода, герметично установленные в отверстиях держателя, источник питания, один полюс которого электрически соединен с электрическими вводами первого электрода внутри держателя, отличающийся тем, что держатель изготовлен из проводящего материала и электрически изолирован от камеры, первый электрод и электрические вводы к нему отделены от держателя изоляторами, второй электрод соединен с держателем токоведущими элементами, источник питания вторым полюсом электрически соединен с держателем.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что держатель выполнен открытым с обоих торцов и установлен в сквозных отверстиях на торцах камеры.

3. Лазер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что источник питания с обоих торцов камеры подсоединен к электрическим вводам первого электрода и к держателю.

4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что первый электрод закреплен крепежными элементами через отверстие, расположенные на противоположной электроду стороне держателя.

5. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что между внутренней поверхностью держателя и электрическими вводами установлены обострительные конденсаторы.

6. Лазер по п.1, отличающийся тем, что держатель имеет цилиндрическую форму с хотя бы одним плоским участком на внешней поверхности.

7. Лазер по пп. 1 и 6, отличающийся тем, что изолятор в форме пластины установлен между первым электродом и плоским участком поверхности держателя.

8. Лазер по пп. 1 и 7, отличающийся тем, что между первым электродом и изолятором и изолятором и плоским участком поверхности держателя размещены уплотнительные прокладки, расположенные в сквозных отверстиях противостоящих ограничительных планок, причем толщина планок равна толщине прокладок в рабочем состоянии.

9. Лазер по п.8, отличающийся тем, что внешние размеры противостоящих ограничительных планок одинаковы, близки к размерам опорной поверхности первого электрода, а изолирующая пластина выступает за габариты ограничительных планок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2