Газовый лазер

Авторы патента:

Филиппов Александр Вячеславович (RU)

H01S3/0977 - с дополнительными средствами для ионизации

Владельцы патента RU 2408961:

Общество с ограниченной ответственностью "Оптосистемы" (RU)

Лазер содержит газопрокачной контур с последовательно расположенными в нем разрядным промежутком, образованным двумя протяженными электродами, диффузором, теплообменником, диаметральным вентилятором с крыльчаткой и дополнительным каналом. Входное отверстие дополнительного канала расположено со стороны нагнетания вентилятора. Расстояние между электродами составляет от 0,05 до 0,25 внешнего диаметра крыльчатки. Дополнительный канал выполнен конфузорным, с выходным отверстием, направленным к крыльчатке вентилятора со стороны всасывания вентилятора. Технический результат заключается в создании компактного газового лазера ТЕ-типа с эффективной прокачкой лазерного газа, стабильной работой и высокой частотой следования импульсов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к газовым лазерам ТЕ-типа с высокой частотой следования импульсов, таким как эксимерные, азотные, СО₂-лазеры.

Известен патент RU 2334325, описывающий газовый лазер, в котором для увеличения частоты следования импульсов выполнен дополнительный газовый канал. Однако это не позволяет увеличить скорость потока газа в разрядном промежутке и существенно поднять частоту следования импульсов лазерной генерации.

Известен патент RU 2132104, описывающий газовый лазер с высокой частотой следования импульсов. В этом лазере, при малом относительно диаметра вентилятора межэлектродном промежутке, имеется дополнительный канал, входное отверстие которого расположено в выходном патрубке вентилятора. Часть газового потока проходит через этот канал, что способствует увеличению частоты следования импульсов. Однако такое решение имеет низкую эффективность.

Задачей изобретения является создание компактного газового лазера с высокой частотой следования импульсов генерации.

Газовый лазер ТЕ-типа содержит газопрокачной контур с последовательно расположенными в нем разрядным промежутком, образованным двумя протяженными электродами, диффузором, теплообменником, диаметральным вентилятором с крыльчаткой, дополнительным каналом, входное отверстие которого расположено со стороны нагнетания вентилятора, расстояние между электродами составляет от 0,05 до 0,25 внешнего диаметра крыльчатки, дополнительный канал выполнен конфузорным, с выходным отверстием, направленным к крыльчатке вентилятора со стороны всасывания вентилятора. Высокая частота следования импульсов генерации лазера обеспечивается высокой скоростью и однородностью потока газа в разрядном промежутке. Повысить скорость газа в разрядном промежутке можно, повышая частоту вращения крыльчатки или увеличивая ее диаметр. Но при повышении частоты вращения крыльчатки существенно возрастает негативное влияние акустических волн и вибраций на характер разряда накачки и соответственно лазерного излучения. Значительное увеличение диаметра колеса относительно расстояния между электродами выводит вентилятор из оптимального режима работы и не ведет к росту скорости потока («Квантовая электроника» т.30, №9 (2000), с.783-786, «Разработка мощных KrF лазеров с частотой повторения импульсов до 5 кГц»). Дополнительный конфузорный, направленный к крыльчатке вентилятора канал позволяет повысить эффективность работы вентилятора и увеличить скорость потока газа даже с относительно малым расстоянием между электродами, составляющим от 0,05 до 0,25 внешнего диаметра диаметрального вентилятора. Канал выполнен конфузорным и направленным к крыльчатке вентилятора со стороны всасывания вентилятора, поэтому часть потока со стороны нагнетания вентилятора попадает в близко расположенную сторону нагнетания вентилятора с высокой скоростью и малыми потерями давления. Часть энергии образованного дополнительным каналом рециркуляционного потока передается основному потоку, проходящему через разрядный промежуток, что способствуют увеличению скорости основного потока. Кроме того, оптимально сформированный дополнительный конфузорный канал отводит те частицы, скорость которых направлена под углом к основному газовому потоку, но соответствует направлению входной части дополнительного канала. В формировании основного потока участвуют частицы, скорость которых направлена к разрядному промежутку, что повышает однородность потока в разрядном промежутке. Увеличение скорости потока газа за счет энергии частиц потока, образованного дополнительным конфузорным каналом, и за счет высокой однородности потока газа в разрядном промежутке позволяет увеличить частоту следования импульсов и повышает стабильность и эффективность работы системы. Введение дополнительного конфузорного канала, направленного к крыльчатке вентилятора, позволяет повысить скорость потока газа через основной разрядный промежуток без увеличения диаметра крыльчатки вентилятора. Это позволяет увеличить частоту следования импульсов без увеличения габаритов газового лазера.

Расстояние между электродами в сумме с высотой сужения дополнительного конфузорного канала составляет от 0,1 до 0,4 внешнего диаметра крыльчатки. Проведенные авторами эксперименты показали, что оптимальным соотношением между диаметром колеса вентилятора, высотой разрядного промежутка и минимальной шириной конфузорного дополнительного канала являются приведенные выше соотношения. При таких соотношениях достигается максимальная скорость потока газа в заданном разрядном промежутке.

Дополнительный конфузорный канал выполнен охлаждаемым. Вихрь, образующийся в зоне крыльчатки при работе любого диаметрального вентилятора, имеет относительно низкий теплообмен с основным потоком, что является причиной температурного градиента в потоке газа через разрядный промежуток. При высокой частоте следования импульсов электрод, расположенный в зоне линий тока газа, примыкающих к вихрю, нагревается до более высокой температуры и, следовательно, больше подвержен эрозии. Введение дополнительного канала и его охлаждение способствует выравниванию температуры потока газа через электродный промежуток, что повышает качество излучения и снижает скорость эрозии электрода. Это положительно сказывается на стабильности работы лазера. Дополнительное охлаждение конструктивно может быть выполнено, например, в виде каналов охлаждения в стенках дополнительного конфузорного канала.

Выполнен газовый канал очистки, соединяющий зону выхода газа из разрядного промежутка с выходной частью дополнительного конфузорного канала. Электроды оптимизированы для создания однородного электрического разряда, но при этом имеют плохо обтекаемую для газового потока форму. На выходе газа из разрядного промежутка может образовываться застойная зона. Для выноса продуктов разряда из застойной зоны и исключения паразитных пробоев от зоны выхода газа из разрядного промежутка выполнен канал, соединяющий эту зону и зону сужения конфузорного канала, направленного к крыльчатке вентилятора. Скорость потока газа в зоне сужения дополнительного конфузорного канала существенно выше, чем в застойной зоне, поэтому за счет эжекторного эффекта осуществляется отток загрязненного продуктами разряда газа из застойной зоны. Это повышает электрическую прочность газа в зоне выхода газа из разрядного промежутка, что способствует увеличению частоты следования импульсов и положительно влияет на стабильность работы лазера.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание компактного газового лазера ТЕ-типа с эффективной прокачкой лазерного газа, стабильной работой и высокой частотой следования импульсов.

На чертеже представлено поперечное сечение камеры лазера по предлагаемому техническому решению.

На чертеже в герметичной газонаполненной камере лазера 1 установлены основные электроды 2, 3, образующие основной разрядный промежуток 4, диффузор 5, радиатор 6, входной патрубок вентилятора 7, крыльчатка вентилятора 8, выходной патрубок 9. Элементы 10, 11 образуют дополнительный конфузорный канал 12, изогнутый таким образом, что его вход расположен со стороны нагнетания вентилятора 9, а выход - в зоне входа газа в крыльчатку 8 вентилятора. В элементах 10, 11 выполнены охлаждающие каналы 13. Зона выхода газа из разрядного промежутка 4 и узкая часть дополнительного конфузорного канала 12 соединены каналом очистки застойной зоны от продуктов разряда 14. Канал очистки 14 охватывает рабочую поверхность предыонизатора 15. В месте поворота потока установлена направляющая 16. Для вывода излучения имеются окна (не показаны). Основные разрядные электроды 2, 3 подключены к источнику питания (не показан).

В конструкции выполнены следующие геометрические соотношения. Расстояние между электродами а и диаметр D крыльчатки 8 находятся в соотношении a=(0.05÷0.25)D. Расстояние между электродами а в сумме с высотой сужения b дополнительного конфузорного канала и диаметр D крыльчатки находятся в соотношении (a+b)=(0.1÷0.4)D.

На электроды 2, 3 подается высоковольтный сильноточный импульс. В разрядном промежутке 4 возникает объемный разряд накачки, приводящий к генерации лазерного импульса. Для работы в частотном режиме продукты разряда между импульсами выносятся из разрядного промежутка потоком рабочего газа, создаваемым вентилятором 8 в газопрокачном контуре.

Крыльчатка вентилятора 8 вращается и создает поток, проходящий через разрядный промежуток 4. Расстояние между основными электродами 2, 3 составляет от 0.05 до 0.25 относительно внешнего диаметра D крыльчатки 8. Газопрокачной контур с таким значительным перепадом проходных сечений требует относительно высоких давлений от вентилятора. Дополнительный канал выполнен в виде изогнутого конфузорного канала, поэтому часть потока газа с малыми потерями и высокой энергией возвращается в крыльчатку, увеличивая скорость находящегося в непосредственном контакте с ним основного потока газа и соответственно скорость потока газа в разрядном промежутке.

Высота b сужения дополнительного конфузорного канала, расстояние между электродами а и диаметр D крыльчатки находятся в соотношении (a+b)=(0.1÷0.4)D. В указанном диапазоне размеров достигается наибольшая эффективность технического решения. Например, на макете лазера с расстоянием между электродами а=14 мм, высотой сужения конфузорного канала b=6,5 мм и диаметром крыльчатки 110 мм скорость потока газа в разрядном промежутке в 2,9 раза превышает окружную скорость внешнего диаметра крыльчатки. В тех же условиях, но без дополнительного конфузорного канала скорость потока газа в разрядном промежутке превышает окружную скорость внешнего диаметра крыльчатки в 2,2 раза.

Однородный по температуре поток в области разрядного промежутка, обеспечиваемый охлаждаемыми каналами 13, способствует более стабильной работе лазера, что положительно сказывается на качестве излучения и ресурсе электрода.

Медленно релаксирующие продукты разряда в зоне электрода 2 и предыонизатора 15 откачиваются по каналу очистки 14, что исключает паразитные высоковольтные пробои.

1. Газовый лазер ТЕ-типа, содержащий газопрокачной контур с последовательно расположенными в нем разрядным промежутком, образованным двумя протяженными электродами, диффузором, теплообменником, диаметральным вентилятором с крыльчаткой, дополнительным каналом, входное отверстие которого расположено со стороны нагнетания вентилятора, отличающийся тем, что расстояние между электродами составляет от 0,05 до 0,25 внешнего диаметра крыльчатки, дополнительный канал выполнен конфузорным, с выходным отверстием, направленным к крыльчатке вентилятора со стороны всасывания вентилятора.

2. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что расстояние между электродами в сумме с высотой сужения дополнительного конфузорного канала составляет от 0,1 до 0,4 внешнего диаметра крыльчатки.

3. Газовый лазер по п.2, отличающийся тем, что дополнительный конфузорный канал выполнен охлаждаемым.

4. Газовый лазер по любому из пп.1, 2, 3, отличающийся тем, что выполнен газовый канал очистки, соединяющий зону выхода газа из разрядного промежутка с выходной частью дополнительного конфузорного канала.

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к электродным системам газовых ТЕ-лазеров. .

Газоразрядный лазер // 2334325

Изобретение относится к области квантовой электроники. .

Способ получения безыскрового разряда в плотных газах и устройство для его осуществления (варианты) // 2297071

Изобретение относится к квантовой электронике, спектроскопии, плазмохимии. .

Устройство накачки широкоапертурного газового лазера или усилителя высокого давления // 2212083

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в газовых электроразрядных лазерах или усилителях сверхатмосферного давления с рентгеновской предыонизацией активной среды.

Лазер // 2170484

Изобретение относится к квантовой электронике, а более конкретно к созданию частотно-периодических газовых лазеров с электрической накачкой и рентгеновской предыонизацией, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства.

Способ получения когерентного излучения // 2164723

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для создания газовых источников когерентного излучения. .

Электродное устройство с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда // 2155421

Изобретение относится к лазерной технике и представляет собой электродное устройство с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда в импульсно-периодическом газовом лазере ТЕ-типа.

Устройство накачки мощного импульсно-периодического газового лазера // 2141708

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в мощных технологических СO2-лазерах импульсно-периодического действия с предыонизацией лазерной среды ультрафиолетовым (УФ) излучением.

Способ инициирования газового разряда в газоразрядных приборах с холодным катодом // 2140114

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к газоразрядным приборам с холодным катодом, которые используются в лазерах. .

Способ и устройство для возбуждения высокочастотного электрического разряда в газовом лазере // 2132104

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в газовых лазерах, таких как СО2, азотные и эксимерные лазеры. .

Импульсно-периодический те-лазер // 2419933

Разрядная система высокоэффективного газового лазера // 2548240

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система высокоэффективного газового лазера содержит расположенные в корпусе лазера протяженные первый и второй электроды, определяющие зону разряда между ними. Сбоку от одного из электродов размещен УФ предыонизатор, выполненный в виде системы зажигания однородного скользящего разряда между протяженными поджигающим электродом и дополнительным электродом, расположенными на поверхности диэлектрического слоя, покрывающего протяженную металлическую подложку, соединенную с дополнительным электродом. Диэлектрический слой выполнен в виде прямой тонкостенной диэлектрической трубки с продольным разрезом. На наружной поверхности диэлектрической трубки вдоль нее размещены поджигающий электрод и дополнительный электрод, а металлическая подложка размещена внутри диэлектрической трубки так, что, по меньшей мере, часть поверхности металлической подложки совмещена с протяженной частью внутренней поверхности диэлектрической трубки. Дополнительный электрод соединен с металлической подложкой через продольный разрез диэлектрической трубки. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения энергии генерации и средней мощности излучения газового лазера и упрощении его конструкции. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство для возбуждения молекул и атомов газа // 2551387

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.

Разрядная система эксимерного лазера (варианты) // 2557325

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система эксимерного лазера включает в себя расположенную в лазерной камере (1) зону объемного разряда (4) между первым и вторым электродами (2), (3), продольные оси которых параллельны друг другу, каждый блок предыонизации (5) содержит систему формирования однородного завершенного скользящего разряда (CP) по поверхности протяженной диэлектрической пластины (6), имеющей в поперечном сечении изогнутую форму. Изогнутая диэлектрическая пластина (6) может быть выполнена в виде диэлектрической трубки. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения энергии и мощности лазера. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 13 ил.

Газоразрядный эксимерный лазер (варианты) // 2557327

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер включает газонаполненный корпус, на котором установлена керамическая разрядная камера с протяженным высоковольтным фланцем, расположенные в разрядной камере протяженные высоковольтный электрод, заземленный электрод и, по меньшей мере, один блок предыонизации. Каждый блок предыонизации содержит систему формирования скользящего разряда, включающую в себя протяженную диэлектрическую пластину, имеющую в поперечном сечении изогнутую форму. В варианте изобретения высоковольтный электрод размещен на внутренней стороне высоковольтного фланца и выполнен частично прозрачным. Блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного высоковольтного электрода. При этом предпочтительно, что протяженные стенки керамической разрядной камеры выполнены наклонными к высоковольтному электроду, и конденсаторы установлены наклонно к высоковольтному электроду. Технический результат заключается в увеличении энергии генерации и мощности лазера. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 6 ил.

Разрядная система газового лазера // 2559029

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система газового лазера содержит расположенные в корпусе лазера протяженные первый и второй электроды лазера, УФ предыонизатор, расположенный сбоку от одного из электродов лазера и выполненный в виде системы зажигания скользящего разряда между протяженными поджигающим электродом и дополнительным электродом, расположенными на поверхности диэлектрического слоя, покрывающего протяженную металлическую подложку. При этом диэлектрический слой выполнен в виде части прямой тонкостенной цилиндрической трубки, заключенной между двумя плоскостями резов трубки, выполненных вдоль ее длины параллельно оси. Поджигающий электрод размещен на внутренней поверхности части диэлектрической трубки вдоль нее и соединен с электродом лазера, а поверхность протяженной металлической подложки выполнена вогнутой и совмещена с частью наружной цилиндрической поверхности диэлектрического слоя. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения энергии генерации и упрощении конструкции лазера. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Разрядная система лазера с частично прозрачным электродом // 2559172

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система лазера с частично прозрачным электродом содержит размещенный с обратной стороны частично прозрачного электрода УФ предыонизатор в виде протяженной системы зажигания завершенного скользящего разряда, включающей в себя металлическую подложку, покрытую диэлектрическим слоем, на поверхности которого зажигается завершенный скользящий разряд между поджигающим и дополнительным электродом, соединенным с металлической подложкой. При этом диэлектрический слой выполнен в виде либо прямой тонкостенной трубки, либо протяженной части прямой тонкостенной трубки, заключенной между двумя продольными сечениями трубки, параллельными ее оси. По крайней мере часть поверхности протяженной металлической подложки, обращенная к частично прозрачному электроду, выполнена цилиндрической, выпуклой в сторону частично прозрачного электрода и совмещена с внутренней цилиндрической поверхностью диэлектрического слоя, а поджигающий электрод установлен на выпуклой цилиндрической поверхности диэлектрического слоя вдоль него. Технический результат заключается в увеличении эффективности и средней мощности лазера и упрощении его конструкции. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Мощный импульсно-периодический эксимерный лазер для технологических применений // 2598142

Изобретение относится к лазерной технике. Эксимерный лазер содержит внешний корпус, обрамляющий заполненную рабочей средой лазерную камеру с газодинамическим трактом, два газоразрядных модуля, систему прокачки и охлаждения газового потока через эти модули и систему питания газоразрядных модулей. Каждый газоразрядный модуль имеет высоковольтный и заземленный электроды и УФ предыонизатор, оснащенный системой формирования протяженного однородного завершенного разряда, скользящего по поверхности диэлектрической пластины. Лазер содержит или два диэлектрических цилиндрических контейнера, заполненных электрически прочным газом, установленных внутри внешнего цилиндрического корпуса параллельно друг другу на расстоянии, обеспечивающем размещение между ними двух газоразрядных модулей, или содержит внешний эллиптический корпус и один диэлектрический цилиндрический контейнер, заполненный электрически прочным газом, установленный внутри внешнего корпуса в его средней части с зазорами относительно внутренней поверхности этого корпуса, обеспечивающими размещение в этих зазорах двух газоразрядных модулей. Элементы системы питания газоразрядных модулей размещены внутри диэлектрического контейнера. Технический результат заключается в повышении средней мощности лазера. 2 н. и 28 з.п. ф-лы, 8 ил.