Импульсно-периодический газовый лазер

 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к созданию импульсно-периодических газовых лазеров с поперечным разрядом, и может быть использовано в научных целях, медицине и лазерных технологиях. Лазер решает задачу уменьшения габаритов и упрощения схемы питания его. Рабочая камера лазера содержит электроды, средства предыонизации, вращающийся вал и теплообменники. Новым является вращение центрального электрода между неподвижных электродов,при этом он образует с неподвижными электродами разрядные промежутки, в которых во всех однавременно формируется основной разряд. Центральный электрод снабжен лопастями, которые обеспечивают циркуляцию газовой смеси и вместе с тем служат для создания вспомогательного разряда, возникающего между краем лопасти и специальным неподвижным электродом предыонизации. Установленный в отдельной камере пассивный разрядчик с контактами вращается синхронно с центральным электродом около дополнительных неподвижных электродов, сближение с которыми обеспечивает комутацию цепи. 2 з.п. ф-лы., 3 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно, к созданию импульсно- периодических газовых лазеров с поперечным разрядом, работающих с высокой частотой следования импульсов, и может быть использовано в научных целях, медицине и лазерных технологиях.

Известен импульсно-периодический газовый лазер, содержащий разрядную камеру с двумя электродами основного разряда, средства прокачки газа, средства формирования коронного разряда, вспомогательные электроды и теплообменник [1].

Недостатками этой конструкции являются увеличенные размеры лазера, вследствие наличия в камере лазера вентилятора и теплообменника, необходимость увеличения мощности двигателя системы прокачки для преодоления газодинамического сопротивления теплообменника и обеспечения им необходимой скорости потока газовой смеси в разрядном промежутке.

Наиболее близким по технической сущности является импульсно-периодический газовый лазер с поперечным разрядом, содержащий в камере вращающийся вал, на котором установлены два диска с отверстиями, на окружности дисков параллельно оси вала закреплены изолированные электроды таким образом, что рабочие поверхности соседних электродов обращены друг к другу [2].

Недостатками конструкции являются: наличие в камере одного разрядного промежутка, поэтому для увеличения мощности лазера необходимо увеличить его размеры. Скользящие контакты электрических вводов при перемещении электродов могут образовывать искры, приводящие к разрушению газовой смеси. Кроме того, электрическая схема таких импульсно-периодических газовых лазеров с поперечным разрядом, как у прототипа, основана на использовании в качестве коммутатора тиратрона, который требует специального питания накальной цепи и импульсной схемы запуска, что приводит к усложнению и к громоздкости электрической схемы, а в целом - увеличивает габариты лазера.

Технической задачей изобретения является уменьшение габаритов и упрощение схемы питания импульсно-периодического газового лазера.

Поставленная задача достигается тем, что в рабочей камере импульснопериодического газового лазера с поперечным разрядом, содержащей электроды, вращающийся вал, средства предыонизации и теплообменники, размещены как минимум два неподвижных электрода основного разряда, между которыми на валу установлен центральный электрод основного разряда, снабженный по крайней мере двумя парами лопастей, установленных под углом друг к другу по всей его длине. Неподвижные электроды рабочими поверхностями обращены к центральному электроду, образуя с ним ограниченные лопастями разрядные промежутки, где во всех одновременно формируется основной разряд.

Для коммутации цепи питания и упрощения схемы лазера на валу центрального электрода установлен пассивный разрядник с контактами, вращающийся синхронно с ним в дополнительной камере, установленной на рабочей камере лазера и снабженной неподвижными электродами, причем неподвижные электроды в дополнительной камере установлены со смещением по углу относительно лопастей центрального электрода так, что при противостоянии контактов разрядника и неподвижных электродов, лопасти центрального электрода находятся напротив неподвижных электродов предыонизации в рабочей камере.

Для создания вспомогательного разряда предыонизации в рабочей камере установлены неподвижные электроды предыонизации, расположенные по обе стороны от неподвижных электродов основного разряда на расстоянии друг от друга, соответствующем углу расхождения лопастей на центральном электроде, между кромками которых и электродами предыонизации возникает вспомогательный разряд.

Сопоставительный анализ с прототипом и анализ источников информации показывает, что заявляемый импульсно-периодический газовый лазер находится в соответствии с критерием "Новизна".

При сравнении формулы изобретения с другими техническими решениями в данной области техники не обнаружено решений, обладающих сходными признаками и решающие аналогичные технические задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Изобретательский уровень".

Сущность устройства заключается в следующем: вращающийся центральный электрод в рабочей камере лазера служит для формирования объемного разряда синхронно во всех разрядных промежутках, образованных между неподвижными электродами и центральным электродом, одновременно с этим он обеспечивает циркуляцию рабочей газовой смеси с помощью лопастей, расположенных на нем, и за счет трения газа о поверхность электрода. Вместе с тем, центральный электрод служит для создания вспомогательного разряда, возникающего между краем лопасти и специальным неподвижным электродом предыонизации. Коммутацию электрической цепи лазера обеспечивает пассивный вращающийся разрядник, установленный на валу центрального электрода в дополнительной камере.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема лазера, разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, где изображены в рабочей камере центральный вращающийся электрод с лопастями, неподвижные электроды и разрядные промежутки между ними и центральным электродом, и расположенные по обеим сторонам от неподвижных электродов электроды предыонизации; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг 2, где изображен в дополнительной камере пассивный разрядник с контактами. Условно изображены неподвижные электроды.

Лазер выполнен следующим образом. В рабочей камере основного разряда 1 установлены как минимум два неподвижных электрода 2 на изоляторах 3. На вращающемся валу 4 жестко закреплен центральный полый цилиндрический электрод 5, например с двумя парами лопастей 6, образующий с неподвижными электродами 2 два разрядных промежутка, где формируется основной разряд, а лопасти 6 ограничивают физическое пространство для рабочей газовой смеси. Неподвижные электроды 7 круглого сечения, покрытые слоем диэлектрика, соединены с неподвижными электродами 2 и обеспечивают предыонизацию в основном разрядном промежутке. Неподвижно на боковой поверхности рабочей камеры размещены теплообменники 8. Резонатор лазера образован глухим зеркалом 9, полупрозрачным зеркалом 10 и поворотными зеркалами 17 и 18. Для питания разряда служат накопительные емкости 11.

Дополнительная камера разрядника 12, крепящаяся к рабочей камере, содержит, установленный на том же валу, что и центральный электрод 5 и вращающийся синхронно с ним, пассивный разрядник 13, содержащий контакты 14, расположенные на разряднике на таком же диаметре, что и пара неподвижных электродов 15, закрепленных неподвижно на изоляторах 16. Электроды 15 установлены со смещением относительно неподвижных электродов предыонизации 7 в рабочей камере (и соответственно на половину угла между лопастями центрального электрода 5) и соединены через шины 19 с накопительными емкостями 11.

Лазер работает следующим образом.

После наполнения основной камеры 1 (фиг. 1) газовой смесью нужного состава включаются источник высокого напряжения и двигатель (на чертеже не показан), который приводит в движение центральный электрод 5 в рабочей камере 1 и вместе с ним пассивный разрядник 13 в дополнительной камере 12. Коммутация накопительных емкостей 11, заряженных от источника питания, происходит при пробое двух разрядных промежутков в момент сближения контактов 14 на разряднике 13 с неподвижными электродами 15 в дополнительной камере 12. В момент срабатывания разрядника 13 лопасти центрального электрода 5 в рабочей камере находятся напротив электродов предыонизации 7 (фиг. 1 и фиг. 2). Возникает пробой между кромкой лопасти 6 и диэлектрической поверхностью электрода предыонизации. Поскольку ток разряда ограничен емкостью электрода предыонизации 7, разряд происходит равномерно по всей длине электрода 5 и создает начальную ионизацию в основном разрядном промежутке с последующим основным разрядом рабочих емкостей. Разряд будет возбуждаться между лопастями электрода 5 по всей его длине каждый раз в момент пробоя двух разрядных промежутков в дополнительной камере 12 (фиг. 3). Резонатор, образованный зеркалами 9, 10, 17, оптически связывает два разрядных промежутка, тем самым увеличивая длину активной среды. Объем возбужденного газа показан на фиг. 1 пунктиром. Частота следования импульсов определяется числом оборотов вращающегося центрального электрода 5, умноженное на количество пар контактов 14 на пассивном разряднике. 13. Количество пар лопастей зависит от количества пар контактов 14 и должно им соответствовать.

В паузе между импульсами излучения центральный электрод 5 повернется до следующего расположения лопастей напротив электродов предыонизации 7 в рабочей камере и синхронного совпадения электродов 14 и 15 в дополнительной камере разрядника 12. После каждого прохождения лопасти 6 через разрядный промежуток происходит полный вывод газа, нагретого предыдущим импульсом, из активной зоны. Пройдя теплообменник 8, свежий и охлажденный газ, увлекаемый лопастями электрода 5, войдет в зону, где происходит разряд. Лопасти электрода 5 обеспечивают полную смену газа, поскольку высота лопасти электрода 5 приблизительно равна зазору между неподвижным электродом 2 и вращающимся электродом 5.

Угол между лопастями на центральном электроде зависит от ширины неподвижного электрода 2 и размеров электродов предыонизации 7, и равен углу, образованному между собой электродами 7.

В примере конкретного выполнения был создан и испытан лазер на углекислом газе с двумя неподвижными электродами основного разряда. Длина неподвижных электродов лазера составляла 300 мм при зазоре между неподвижным и вращающимся электродом 10 мм. При напряжении источника питания +/- 12 кВ полный энерговклад в разряд составлял 5 Дж, а энергия излучения лазера - 0,3 Дж при частоте следования импульсов до 50 Гц. Частота следования импульсов ограничивалась мощностью используемого высоковольтного источника.

Таким образом, данная конструкция лазера обладает следующими преимуществами: вращающийся центральный электрод в рабочей камере служит для создания объемного заряда синхронно в двух (или нескольких) разрядных промежутках. Это увеличивает по сравнению с прототипом длину активной среды лазера при тех же габаритах лазера; он же обеспечивает циркуляцию рабочей газовой среды, что не требует дополнительных средств прокачки газа, и тем самым экономится мощность. Это получается естественно, в отличие от прототипа, где газ должен выйти и, охладившись, снова войти через отверстия во вращающихся дисках, что является проблематичным; между лопастями электрода 5 и неподвижными электродами 7 в рабочей камере создается разряд предыонизации без дополнительных средств; по сравнению с прототипом пассивный разрядник с вращающимся электродом 13 упрощает электрическую схему питания устройства, освободив ее от громоздкого тиратрона, его источника питания и импульсной схемы запуска; предложенная конструкция предыонизационных электродов позволяет избежать экранировки излучения разряда предыонизации электродами основного разряда и одновременно обеспечить эффективную смену газа в разрядном промежутке.

Формула изобретения

1. Импульсно-периодический газовый лазер с поперечным разрядом, содержащий в рабочей камере электроды, вращающийся вал, электроды предыонизации и теплообменники, отличающийся тем, что на валу установлен центральный электрод основного разряда, снабженный по крайней мере двумя парами лопастей, установленных под углом одна к другой по всей длине электрода, вокруг которого расположены как минимум два неподвижных электрода основного разряда, рабочие поверхности которых обращены к центральному электроду, образуя с ним ограниченные лопастями промежутки, в которых во всех одновременно формируется основной разряд.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в рабочей камере установлены неподвижные электроды предыонизации, электрически связанные с неподвижными электродами основного разряда и расположенные по обе стороны от неподвижных электродов основного разряда на расстоянии друг от друга, соответствующем углу расхождения лопастей на центральном электроде, между кромками которых и электродами предыонизации возникает вспомогательный разряд.

3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на валу центрального электрода установлен пассивный разрядник с контактами, вращающийся синхронно с ним в дополнительной камере, размещенной на рабочей камере лазера и снабженной неподвижными электродами, которые установлены со смещением относительно неподвижных электродов предыонизации рабочей камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3