Азотен лазер

Притежатели на патент RU 2313872:

Изобретението се отнася до квантовата електроника, по-специално до конструкции на импулсни газови азотни лазери, изпомпвани от надлъжен импулсен разряд. Азотният лазер включва активен елемент, съдържащ диелектрични пластини, в които съответно са направени проходни отвори; катод и анод, резонатор, оформен от огледала, и устройство за генериране на импулси на помпата с високо напрежение. Разположението на плочите, отворите и жлеба осигурява образуването на U-образен разряден канал, което значително намалява индуктивността на разрядната верига. Техническият резултат е повишаване на ефективността на изпомпване на газови лазери с надлъжен разряд и увеличаване на енергийните характеристики на импулсното лазерно лъчение. 1 wp f-ly, 2 кал.

Изобретението се отнася до квантовата електроника, по-специално до конструкции на импулсни газови азотни лазери, изпомпвани от надлъжен импулсен разряд.

Азотните лазери са лазери, работещи на самоограничени преходи на азотни молекули, при които продължителността и честотата на генерираните лазерни импулси са ограничени от съотношението на скоростите на възбуждане и отпускане на работните нива. За възбуждане на горните лазерни нива се използва импулсно изпомпване и продължителността на възбуждащия импулс трябва да бъде по-кратка от времето на излъчване на горното лазерно ниво, което има стойност τ˜40 наносекунди. За да се получи висока пикова мощност, популационната инверсия при преходите на азотната молекула трябва да се създаде за време t, което е много по-кратко от радиационния живот на горното лазерно ниво [1].

В случай на метод на газоразрядно изпомпване, времето на изпомпване t зависи от плътността и скоростта на нарастване на токовия импулс на етапа на разрушаване на изпускателната тръба. Това време зависи от геометричните размери на разрядния пропуск, налягането на азота в нагнетателната тръба и параметрите на електрическата верига. В този случай времето за изпомпване и параметрите на радиационните импулси са ограничени главно от такъв електрически параметър като индуктивността на разрядната верига [1-5].

Един от видовете газоразрядни лазери, базирани на молекулярен азот, е лазер с надлъжно изпомпване, когато надлъжният електрически разряд се възбужда в разрядната междина.

Известен азотен лазер, който се изпомпва с помощта на генератор Blumlein, базиран на двойна коаксиална линия [4]. Известен е и азотен лазер, който се състои от активен елемент, резонатор и устройство за генериране на импулси за възбуждане на високо напрежение. Активният елемент включва коаксиална тръба с разтоварен канал и студени електроди - катод и анод; резонаторът е оформен от глухо диелектрично огледало и непокрита кварцова плоча [5].

Често срещан недостатък на тези устройства е голямата стойност на индуктивността на разширената разрядна верига, която не позволява образуването на импулси на помпата с кратка продължителност и висок ток и съответно не позволява получаване на високи стойности на лазерното лъчение енергия в импулс и импулсни мощности.

Като прототип на предложеното техническо решение е избран молекулярен газов лазер с електрическо възбуждане на активна газообразна среда, който може да се използва като азот [6]. Лазерът се състои от два цилиндрични кондензатора последователно, активен елемент, разположен в проходен отвор, направен в един от кондензаторите, резонатор и устройство за генериране на импулси с високо напрежение на помпата. Изпускателният канал е оформен от цилиндрична диелектрична тръба с електроди в краищата. Когато кондензаторите са разредени, надлъжният електрически разряд се възбужда в разрядния канал на активния елемент.

Дизайнът на известния молекулярен азотен лазер осигурява леко намаляване на индуктивността на разрядната верига, но е недостатъчен за получаване на мощно лазерно лъчение.

Както е известно, максималната стойност на тока на помпата в газоразрядната междина в импулсен режим обикновено се определя от съотношението [2, 3]:

където Upr е напрежението на пробив на разрядния канал, Rp е омичното съпротивление на разрядния канал, ρ е характерният импеданс на разрядната верига.

Тъй като Rp на разрядния канал след неговото разрушаване става много малък, основният фактор, определящ стойността на Imax, е характеристичният импеданс, пропорционален на индуктивността L [2, 3, 7]:

където C е капацитетът на кондензатора, който се разрежда в разрядния канал.

Продължителността на тока на помпата τ за случая, когато ρ >> Rp също е пропорционална на индуктивността на електрическата верига [2, 3, 7]:

По този начин от (1), (2) и (3) следва, че основните параметри на изпомпването на азотен лазер - токът и неговата продължителност - за фиксирана стойност на капацитета за съхранение C се определят от индуктивността на разряда верига L.

Разрядната верига в азотния лазер, взета за прототип, е оформена от газоразрядни канали и метални пластини на цилиндричен кондензатор, в чиято кухина е поставен. Индуктивността на такава коаксиална разрядна верига L се определя от израза [7]:

където μо е магнитната константа; q е радиусът на разрядния канал;

p - радиус на външния проводник.

За да се намали индуктивността L, стойността на q трябва да се намали, но този подход не е достатъчно ефективен, тъй като намаляването на L поради намаляване на q е ограничено от дебелината на кондензаторната диелектрична стена, при която се получава нейното разрушаване. Изчисленията показват, че индуктивността на разрядната верига в прототипа е стотици наногени.

По този начин недостатъците на азотния лазер, взет за прототип, са ниско енергийните характеристики на импулсното лъчение и недостатъчната ефективност на помпата.

Проблемът, решен от изобретението, е да се увеличат енергийните характеристики на импулсното лъчение и ефективността на изпомпването на газови лазери с надлъжен разряд.

Този проблем се решава от факта, че в азотен лазер, който включва разряден канал, електроди за възбуждане на надлъжен електрически разряд в разрядния канал, свързани към устройство за генериране на помпени импулси под високо напрежение, и резонатор, разрядния канал се формира между три плочи от диелектричен материал, разположени успоредно една на друга, в същото време се правят проходни отвори в крайните плочи, разположени срещу електродите, и в централната плоча от противоположната страна на гореспоменатите отвори, проходен жлеб е направен, изпускателният канал има U-образна форма в надлъжния разрез, докато кухините между крайните плочи и централната плоча образуват ракообразния P-образен разтоварен канал, свързан с жлеб.

Параметрите на изпускателния канал се избират от условията:

където b и c са съответно ширината и височината на изпускателния канал, d е разстоянието между рамената на разтоварния канал.

Същността на изобретението се състои в образуването на U-образен разряден канал и съответното разположение на електродите спрямо рамената на разрядния канал, което осигурява потока на тока в рамената на разрядния канал в противоположни посоки спрямо помежду си и води до значително намаляване на стойността на индуктивността на такава разрядна верига.

Изобретението е илюстрирано на чертежите. Фигура 1 схематично показва азотния лазер съгласно изобретението, фигура 2 показва формата и геометричните размери на изпускателния канал.

Азотният лазер се състои от активен елемент, резонатор и устройство за оформяне на импулси. Активният елемент е оформен от диелектрични плочи 1 и 2, между които е разположена тънка диелектрична плоча 3, направена например от кварц, стъкло или керамика. Катодът 4 е разположен върху плочата 1, а анодът 5 е разположен върху плочата 2, свързан към устройство за формиране на импулси 6 на високо напрежение на помпата, което включва генератор на импулси (направен например във формата на Blumlein, Marx или генератори на импулсни трансформатори) и капацитивно съхранение с ниска индуктивност, свързано с него енергия. В плочи 1 и 2 са направени проходни отвори 7 и 8, срещу които са разположени катод 4 и анод 5. В централната плоча 3, от противоположната страна на отворите 7 и 8, е направен жлеб 9. Отвори 7 и 8 и жлебът 9 са разположени по такъв начин, че в пространството между плочите 1, 2, 3 да се образува разтоварен канал 10, който има U-образна форма в надлъжното си сечение, докато кухините между плочите 1 и 2 от една страна и централната плоча 3 от другата страна образуват раменете на изпускателния канал 10, свързани с жлеб 9. От краищата изпускателният канал 10 е запечатан с прозорци 11 и 12, разположени, например, под ъгъла на Брустър. Оптичният резонатор е оформен от "глухо" огледало 13 и прозрачно изходно огледало 14. Газът се вкарва в изпускателния канал 10 през отвор 15, направен в горната плоча 1.

Геометричните параметри на разрядния канал са избрани от следните съображения.

Индуктивността L на разрядния канал с правоъгълно сечение (фиг. 2) се определя от съотношението [7]:

Както следва от (5), индуктивността L на разрядния канал се определя от съотношението между величините b, c и d, където b и c са съответно ширината и височината на разрядния канал, d е разстоянието между раменете му (дебелина на централната диелектрична плоча 3).

Заявителят установи, че най-голямото намаляване на индуктивността на разрядната верига се постига, когато са изпълнени следните условия:

За типични стойности на b = 3 mm, c = 30 mm, d = 1 mm и обща дължина на разрядния канал от 0,5 m, неговата индуктивност ще бъде 6 нано-генератора, което е много по-малко от индуктивността на верига за коаксиален разряд в прототипното устройство със сравними геометрични размери.

Азотният лазер съгласно изобретението работи по следния начин. Газ (азот) се пропуска през отвор 15 в изпускателния канал. След това от устройството 6 се подава импулс с високо напрежение към катода 4 и анода 5, в резултат на което в разрядния канал възниква надлъжен електрически разряд, който възбужда работните нива на азотните молекули и води до генериране на лазерно лъчение. Токовете I1 и I2 в рамената на разрядния канал 10 протичат в противоположни посоки. Близостта на токовете I1 и I2 води до ефективно изваждане на магнитните потоци, генерирани от тези токове и съответно намаляване на индуктивността на разрядната верига, което гарантира постигането на по-високи и по-ниски токове на помпата в газовия разряд. Това от своя страна води до увеличаване на ефективността на изпомпване и постигане на по-високи стойности на енергията на излъчване в импулса при кратка продължителност на лазерния импулс.

Лазерното лъчение се генерира в кухина между огледала 13 и 14 и излиза през прозрачно огледало 14.

По този начин, в сравнение с прототипното устройство, заявеният азотен лазер позволява да се получат по-високи енергийни характеристики на лазерното лъчение и ефективността на помпата.

1. В. М. Каслин, Г. Г. Петраш. "Импулсни газови лазери, базирани на електронни преходи на молекули". - Известия на ФИАН. - М., Наука, 1971, т. 81, с. 88-185.

2. В. В. Савин, В. Ф. Тарасенко, Ю. И. Бичков. „Изследване на преходния етап на разряд в азотен лазер“. - ZhTF, 1976, с. 198-201.

3. Ю. И. Бичков, В. В. Савин. В.Ф.Тарасенко. "Енергийни характеристики на азотен лазер". - Газови лазери. Изд. Р. И. Солухин и В. П. Чеботарев. Новосибирск, Наука, 1977, с. 224-238.

4. А. М. Ражев, Г. Г. Телегин. "Импулсни ултравиолетови лазери върху молекулярен азот". - Чуждестранна радиоелектроника, 1978, No 3, с.76-94.

5. В. В. Кюн, В. Г. Самородов, Ю. М. Токунов. "Повтарящи се импулсни азотни лазери". Рецензии по електронно инженерство, серия 11, брой 2 (1437), 1989, стр. 14-22.

6. Американски патент № 4367553, NCI 372/55, 1983 (прототип).

7. П. Л. Калантаров, Л. Н. Цайтлин. "Изчисляване на индуктивности. Справочник". Ленинград, Енергия, 1970, 416 с.

1. Азотен лазер, включително разряден канал, електроди за възбуждане на надлъжен електрически разряд в разрядния канал, свързани към устройство за генериране на импулси на високо напрежение и резонатор, характеризиращ се с това, че разрядният канал е оформен между три плочи на диелектричен материал, разположен успоредно един на друг, когато В този случай се правят проходни отвори в крайните плочи, разположени срещу електродите, а в централната плоча от противоположната страна на гореспоменатите отвори се прави проходен жлеб, разтоварването канал има U-образна форма в надлъжния разрез, докато кухините между крайните плочи и централната плоча образуват раменете P-образен разтоварен канал, свързан с жлеб.

2. Азотният лазер съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че параметрите на изпускателния канал се избират от условията

където b и c са съответно ширината и височината на разтоварния канал, d е разстоянието между рамената на разтоварния канал.