Способ и устройство для возбуждения высокочастотного электрического разряда в газовом лазере

 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в газовых лазерах, таких как СО₂, азотные и эксимерные лазеры. Возбуждение высокочастотного разряда в газовом лазере заключается в том, что в дополнение к основному потоку лазерной газовой смеси в зону выхода газа из межэлектронного промежутка подают дополнительный поток электрически нейтральной охлажденной газовой смеси. При этом дополнительный поток газа вводят в часть основного потока, прошедшую приэлектродную зону разряда, в которой происходит основной энерговклад от разряда. Высокочастотный электрический разряд возбуждается в газовом лазере, содержащем газопрокачный контур с установленными в нем двумя электродами, образующими межэлекродный промежуток, средство прокачки газа и хоты бы один дополнительный газовой канал, выход которого направлен в часть основного потока, прошедшую приэлектродную зону разряда. Использование изобретения позволит увеличить частоту следования импульсов, исключить паразитные пробои в заэлектродной области и повысить КПД лазера. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в газовых ТЕ лазерах, таких как N₂, CO₂, и эксимерных лазерах.

Известен лазер (Заявка PCT WO 87/06773, кл. H 01 S 3/03), в котором в межэлектродный промежуток через отверстия в одном из электродов подают дополнительный поток газа. Наиболее близким для данного технического решения является способ возбуждения импульсно-периодического разряда, когда наряду с основным потоком газа между электродами создается дополнительный поток (Патент США N 4152672, кл. H 01 S 3/02, 1979). Известно устройство для его осуществления, содержащее основной газопрокачный контур, в котором перед межэлектродным промежутком расположены средства для прокачки дополнительного потока газа вблизи границы одного из электродов (Патент США N 4152672, кл. H 01 S 3/02, 1979).

Недостатком как аналога, так и прототипа является то, что в зоне выхода отработанного газа из межэлектродного промежутка не полностью деионизированные частицы плазмы предыдущего газового разряда и продукты эрозии электродов создают высокую проводимость газа вниз по потоку.

Вследствие этого, при наложении на межэлектродный промежуток последующих импульсов высокого напряжения, между краями электродов в зоне выхода отработанных газов из разрядного промежутка, где существует электрическое поле от предыдущих импульсов, могут возникать паразитные пробои, траектория которых проходит по сносимым вниз отработанным газовым объемам. Для исключения вышеуказанных паразитных пробоев в известном техническом решении требуется создавать высокую скорость газового потока. Так как мощность, потребляемая средствами прокачки газа в случае постоянных сечений газового канала растет пропорционально скорости потока газа в третьей степени, то при увеличении скорости газа существенно падает общий КПД лазера. Недостатком является и то, что прошедший через разрядный промежуток газ отдает часть тепла электродам и расположенным в непосредственной близости от электродов элементам, таким как направляющие газового потока, обратный токопровод, что может вызывать их перегрев и расплавление.

Задачей данного изобретения является увеличение частоты следования импульсов, исключение паразитных пробоев в заэлектродной области и повышение общего КПД лазера. Для решения этой задачи в способе возбуждения высокочастотного электрического разряда в газовом лазере, заключающемся в том, что через межэлектродный промежуток создают основной поток рабочей газовой смеси и дополнительный поток электрически нейтрального газа, который подают в зону выхода основного потока из межэлектродного промежутка, поток электрически нейтрального газа вводят в часть основного потока, прошедшую приэлектродную зону разряда, в которой происходит основной энерговклад от разряда. Дополнительный поток состоит из охлажденной рабочей газовой смеси.

Подача дополнительного электрически нейтрального газа в часть основного потока, прошедшую приэлектродную зону разряда, в которой происходит основной энерговклад от разряда, позволяет разбавить выходящий из разрядного промежутка отработанный не полностью деионизированный газ нейтральным газом, что уменьшает концентрацию заряженных частиц. В газопрокачный тракт вниз по потоку, после межэлектродного промежутка подается электрически нейтральный газ, например инертный газ, или газ, являющийся компонентом рабочей газовой смеси. При этом уменьшается проводимость в вышеуказанной зоне. Это существенно, так как при подаче высоковольтного импульса на электроды электрическое поле возникает не только в зоне разряда, но и в газопрокачном тракте, в зоне выхода отработанного газа из разрядного промежутка. Хотя напряженность электрического поля в газопрокачном тракте меньше, чем в разрядном промежутке, но из-за наличия остаточной проводимости отработанного от предыдущего импульса газа может возникать паразитный разряд, конкурирующий с разрядом накачки, возникающим между электродами в обновленной электрически нейтральной газовой среде. Подача электрически нейтрального газа в часть основного потока, прошедшую приэлектродную зону разряда, в которой происходит основной энерговклад от разряда позволяет исключить возникновение паразитного разряда в газопрокачном тракте и увеличить частоту следования импульсов без увеличения скорости потока газа, что увеличивает общий КПД лазера. Поток нейтрального охлажденного газа вводится в прошедшую приэлектродный слой часть потока, в которой происходит основной энерговклад от разряда. Данная часть потока содержит продукты эрозии электродов, наиболее нагрета, и поэтому подача нейтрального охлажденного газа именно в вышеуказанную зону не только снижает проводимость газа и поверхностей, ограничивающих поток на выходе из разрядного промежутка, но и исключает перегрев элементов газопрокачного тракта и скапливание на их поверхности зарядов, способных усиливать нежелательные электрические поля.

Дополнительный поток газа состоит из рабочей газовой смеси, это существенно, так как для его создания не требуется дополнительный источник газа.

Техническим результатом предлагаемого способа возбуждения высокочастотного электрического разряда в газовом лазере является исключение возникновения паразитного пробоя по траекториям, проходящим через области ионизованного, отработанного в предыдущем разряде газа, увеличение частоты следования импульсов и увеличение общего КПД лазера.

Технической задачей является создание устройства, позволяющего осуществить предлагаемый способ возбуждения высокочастотного разряда в газовом лазере.

В устройстве для осуществления способа возбуждения высокочастотного электрического разряда в газовом лазере, содержащем газопрокачный контур с установленными в нем двумя электродами, образующими межэлектродный промежуток, средство прокачки газа и хотя бы один дополнительный газовый канал, выход которого расположен непосредственно в зоне выхода рабочей газовой смеси из межэлектродного промежутка, выход дополнительного газового канала направлен в часть основного потока газа, прошедшую приэлектродную зону разряда, в которой происходит основной энерговклад от разряда, вход дополнительного газового канала сообщается с нагнетательной частью газопрокачного контура. Дополнительный газовый канал выполнен в виде сквозных отверстий хотя бы в одном электроде. В канале дополнительного потока установлен фильтр пыли.

Выход дополнительного газового канала направлен в часть основного потока газа, прошедшую приэлектродную зону разряда, в которой происходит основной энерговклад от разряда, что существенно, так как это позволяет осуществить предлагаемый способ возбуждения высокочастотного разряда в газе.

Расположение входа дополнительного газового потока в нагнетательной зоне газопрокачного контура существенно, так как в данной зоне давление газа выше, чем в зоне выхода газа из разрядного промежутка, и этот перепад давлений обеспечивает дополнительный поток без применения дополнительных средств прокачки газа, кроме того, в нагнетательной зоне газ охлажден, так как эта зона расположена после теплообменника по ходу потока, то есть не требуется дополнительных средств охлаждения дополнительного потока, что упрощает конструкцию лазера.

Возможность использования лазерной газовой смеси для дополнительного потока связана с тем, что время рекомбинации образовавшихся в зоне разряда заряженных частиц плазмы сравнимо с интервалом времени между соседними импульсами в режиме работы лазера с высокой частотой следования импульсов, а время прохождения частиц по газопрокачному контуру значительно больше. Ионизированный в разрядном промежутке газ становится нейтральным к моменту прохождения этих частиц газа через дополнительный канал.

В частном случае, в устройстве для осуществления предлагаемого способа возбуждения высокочастотного газового разряда дополнительный газовый канал выполнен в виде сквозных отверстий хотя бы в одном электроде. Это существенно, так как тем самым увеличена поверхность электрода, контактирующая с охлажденным газовым потоком, что снижает температуру электрода. Это предохраняет электрод от перегрева, поэтому уменьшается эрозия электрода и деградация газовой смеси. Кроме того, это упрощает конструкцию дополнительного канала.

В частном случае, в устройстве для осуществления предлагаемого способа возбуждения высокочастотного газового разряда, в канале дополнительного потока расположен фильтр пылевых частиц. Это существенно, так как при этом снижается количество заряженных и проводящих частиц, и изолирующие свойства газа, используемого в качестве дополнительного потока, улучшаются.

Техническим результатом предлагаемых устройств является осуществление способа возбуждения высокочастотного разряда в газовом лазере и упрощение конструкции лазера, техническим результатом частного решения, в котором дополнительный канал выполнен в виде сквозных отверстий в электроде, является, кроме того, предохранение электрода от перегрева и эрозии.

На фиг. 1 и фиг. 2 схематически показано поперечное сечение устройства для возбуждения высокочастотного разряда в газовом лазере.

На фиг. 3 схематически показано поперечное сечение устройства в случае выполнения дополнительного газового канала в электродах.

На фиг. 4. схематически показано продольное сечение лазера по фиг. 3 по линии Г-Г с электродами, в которых выполнены отверстия для дополнительного газового канала.

Предлагаемый способ возбуждения высокочастотного электрического разряда в газовом лазере мы проиллюстрируем на примере устройства для его осуществления, приведенном на фиг. 1 и фиг. 2. Электроды 1, 2 образуют межэлектродный промежуток, через который подают основной поток газа, движущийся в направлении А. При прикладывании напряжения между электродами 1, 2 возникает электрическое поле. Электрическое поле вызывает объемный газовый разряд Г в межэлектродном промежутке.

В зону выхода отработанного газа из межэлектродного промежутка, имеющего высокую проводимость, через выход 3 подают дополнительный газовый поток Б, состоящий из электрически нейтрального охлажденного газа. Дополнительный поток газа Б может быть создан как возле одного из электродов, так и одновременно у обоих электродов 1, 2.

При нарастании напряжения между электродами 1, 2 для последующего импульса электрическое поле распространяется и в зону сносимого, отработанного от предыдущего импульса газа.

Подача дополнительного электрически нейтрального газа в зону выхода основного потока газа из разрядного промежутка позволяет разбавить выходящий из разрядного промежутка отработанный, ионизированный газ нейтральным газом, что увеличивает электрическую прочность наиболее предрасположенной к паразитному пробою траектории Д. Траектория Д проходит между формирующими электрическое поле поверхностями электродов Ж через ионизированный от предыдущего импульса газ Е.

Поверхности газопрокачного тракта в заэлектродной зоне 3, 4, ограничивающие суммарный газовый поток, непосредственно омываются электрически нейтральным охлажденным газом, что повышает электрическую прочность указанных поверхностей, а в случае использования направляющих газового потока из диэлектрического материала исключает скапливание зарядов на его поверхности.

Поток нейтрального охлажденного газа Б вводится в ту часть основного потока А, которая прошла приэлектродную зону разряда и в которой происходит основной энерговклад от разряда. Данная часть потока содержит продукты эрозии электродов, наиболее нагрета, и поэтому подача нейтрального охлажденного газа именно в вышеуказанную зону не только существенно снижает общую проводимость газа и поверхностей, ограничивающих поток, но и исключает перегрев элементов газопрокачного тракта 3, 4, примыкающих к зоне выхода этого газа из межэлектродного промежутка.

В качестве газа дополнительного потока можно использовать инертный газ или газ, являющийся компонентом рабочей газовой смеси, то есть те газы, которые не влияют на лазерную генерацию.

Частным решением устройства для осуществления предлагаемого способа является конструкция лазера, поперечное сечение которого представлено на фиг. 1 и фиг. 2. Лазер содержит электроды 1, 2, образующие межэлектродный промежуток, направляющие потока газа 3, 4, образующие диффузор, радиатор 5 для охлаждения рабочей газовой смеси, крыльчатку вентилятора 6, фильтр пыли 7 и корпус 8.

Лазер работает в импульсно-периодическом режиме. Поток газа А создается крыльчаткой 6. При прикладывании напряжения на электроды 1, 2 возникает объемный газовый разряд Г в области наибольшей напряженности электрического поля, то есть в промежутке между электродами 1, 2. Ионизированный газ на выходе из межэлектродного промежутка смешивается с электрически нейтральным охлажденным газом дополнительного потока Б. После диффузора газ проходит через радиатор 5, где охлаждается.

Вход канала дополнительного потока газа В расположен в зоне высокого давления газового тракта, а выход Б - в зоне низкого статического давления газа (так как скорость основного потока газа в межэлектродном промежутке максимальна), поэтому для создания дополнительного потока не требуются дополнительные средства прокачки газа.

Часть канала дополнительного потока выполнена с большой площадью поперечного сечения, и поэтому скорость частиц газа на этом участке невелика. Это обеспечивает эффективную работу фильтра пылевых частиц, например электростатического фильтра.

Другим частным решением устройства для осуществления предлагаемого способа является конструкция лазера, поперечное сечение которого схематически представлено на фиг. 3, продольное сечение Г-Г представлено на фиг. 4. Канал дополнительного потока выполнен в виде отверстий 9, 10 в электродах 1, 2. Дополнительный поток газа проходит через отверстия 9, 10 электродов 1, 2. Тем самым увеличена поверхность электродов, контактирующая с охлажденным газовым потоком, что снижает температуру электродов. Это предохраняет электроды от перегрева, и соответственно уменьшается эрозия электродов и деградация газовой смеси. Кроме того, такое исполнение дополнительного канала упрощает конструкцию лазера. Генерируемое излучение выводится через окно 11.

В качестве примера, показывающего возможность практической реализации предлагаемого устройства для возбуждения высокочастотного электрического разряда в газовом лазере, можно привести результаты, полученные при исследовании импульсно-периодического ТЕ N₂ лазера со следующими параметрами.

Рабочая газовая смесь: N₂ + Не. Давление газовой смеси 0,6 атм. Расстояние между электродами 10 мм. Ширина разрядного промежутка 2,5 мм. Скорость потока газа через межэлектродный промежуток 48 м/с.

Это обеспечивает надежную работу лазера при частоте следования импульсов 10 кГц.

При отсутствии дополнительного потока, при скорости потока газа через межэлектродный промежуток 48 м/с максимальная частота следования импульсов 6,5 кГц.

Формула изобретения

1. Способ возбуждения высокочастотного электрического разряда в газовом лазере, заключающийся в том, что через межэлектродный промежуток создают основной поток рабочей газовой смеси и дополнительный поток электрически нейтрального газа, который подают в зону выхода основного потока из межэлектродного промежутка, отличающийся тем, что поток электрически нейтрального газа вводят в часть основного потока, прошедшую приэлектродную зону разряда, в которой происходит основной энерговклад от разряда.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительный поток состоит из охлажденной рабочей газовой смеси.

3. Устройство для осуществления способа возбуждения высокочастотного электрического разряда в газовом лазере, содержащее газопрокачный контур с установленными в нем двумя электродами, образующими межэлектродный промежуток, средство прокачки газа и хотя бы один дополнительный газовый канал, выход которого расположен непосредственно в зоне выхода рабочей газовой смеси из межэлектродного промежутка, отличающееся тем, что выход дополнительного газового канала направлен в часть основного потока газа, прошедшую приэлектродную зону разряда, в которой происходит основной энерговклад от разряда.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что вход дополнительного газового канала сообщается с нагнетательной частью газопрокачного контура.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что дополнительный газовый канал выполнен в виде сквозных отверстий хотя бы в одном электроде.

6. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что в канале дополнительного потока установлен фильтр пыли.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4