Азотний лазер
Власники патенту UA 2313872:
Винахід відноситься до квантової електроніки, а саме до конструкцій імпульсних газових азотних лазерів з накачуванням поздовжнім імпульсним розрядом. Азотний лазер включає активний елемент, що містить діелектричні пластини, в яких виконані відповідно наскрізні отвори; катод та анод, резонатор, утворений дзеркалами, та пристрій формування високовольтних імпульсів накачування. Розташування пластин, отворів та паза забезпечує утворення П-подібного розрядного каналу, що значно знижує індуктивність розрядного контуру. Технічний результат - підвищення ККД накачування газових лазерів з поздовжнім розрядом та підвищення енергетичних характеристик імпульсного лазерного випромінювання. 1 з.п. ф-ли, 2 іл.
Винахід відноситься до квантової електроніки, а саме до конструкцій імпульсних газових азотних лазерів з накачуванням поздовжнім імпульсним розрядом.
Азотні лазери являють собою лазери, що працюють на самообмежених переходах молекул азоту, в яких тривалість і частота лазерних імпульсів, що генеруються, обмежуються співвідношенням швидкостей збудження і релаксації робочих рівнів. Для збудження верхніх лазерних рівнів використовується імпульсна накачування, причому тривалість збуджуючого імпульсу повинна бути коротшою за радіаційний час життя верхнього лазерного рівня, що має значення τ40 наносекунд. Для отримання високої пікової потужності інверсію населеностей на переходах молекули азоту необхідно створювати за час t значно менше радіаційного часу життя верхнього лазерного рівня [1].
При газорозрядному методі накачування час накачування t залежить від густини та швидкості наростання імпульсу струму на стадії пробою розрядної трубки. Цей час залежить від геометричнихрозмірів розрядного проміжку, тиску азоту в розрядній трубці та параметрів електричного кола. При цьому час накачування та параметри імпульсів випромінювання лімітуються головним чином таким електричним параметром, як індуктивність розрядного ланцюга [1-5].
Одним із типів газорозрядних лазерів на молекулярному азоті є лазер з поздовжнім накачуванням, коли в розрядному проміжку збуджується поздовжній електричний розряд.
Відомий азотний лазер, в якому накачування здійснюється за допомогою генератора Блюмляйна на основі подвійної коаксіальної лінії [4]. Відомий також азотний лазер, що складається з активного елемента, резонатора та пристрої формування високовольтних імпульсів збудження. Активний елемент включає коаксіальну трубку з розрядним каналом та холодними електродами - катодом та анодом; резонатор утворений глухим діелектричним дзеркалом та кварцовою пластиною без покриття [5].
Загальним недоліком зазначених пристроїв є велика величина індуктивності протяжного розрядного ланцюга, що не дозволяє формувати імпульси накачування малої тривалості і з великим струмом і, відповідно, не дозволяє отримувати високі значення енергії лазерного випромінювання імпульсу і імпульсні потужності.
В якості прототипу технічного рішення, що заявляється, обраний молекулярний газовий лазер з електричним збудженням активного газового середовища, в якості якого може використовуватися азот [6]. Лазер складається з двох послідовно розташованих циліндричних конденсаторів, активного елемента, розміщеного в наскрізному отворі, виконаному в одному з конденсаторів, резонатора та пристрої формування високовольтних імпульсів накачування. Розрядний канал утворений циліндричною діелектричною трубкою, на торцях якої розміщені електроди. При розрядіконденсаторів у розрядному каналі активного елемента збуджується поздовжній електричний розряд.
Конструктивне виконання відомого лазера на молекулярному азоті забезпечує деяке зменшення індуктивності розрядного ланцюга, проте воно замало отримання потужного лазерного випромінювання.
Як відомо, максимальне значення струму накачування в газорозрядному проміжку в імпульсному режимі в загальному випадку визначається співвідношенням [2, 3]:
де Uпр – напруга пробою розрядного каналу, Rп – омічний опір розрядного каналу, ρ – хвильовий опір розрядного контуру.
Оскільки Rп розрядного каналу після його пробою стає дуже малим, головним фактором, що визначає величину Imax, є хвильовий опір, пропорційний індуктивності L [2, 3, 7]:
де С - ємність конденсатора, що розряджається на розрядний канал.
Тривалість струму накачування τ для випадку, коли ρ>Rп, також пропорційна індуктивності електричного контуру [2, 3, 7]:
Таким чином, (1), (2) і (3) слід, що основні параметри накачування азотного лазера - струм і його тривалість - для фіксованого значення накопичувальної ємності визначаються індуктивністю розрядного контуру L.
Розрядний контур в азотному лазері, прийнятому за прототип, утворений газорозрядних каналів та металевими обкладками циліндричного конденсатора, в наскрізній порожнині якого він розміщений. Індуктивність такого коаксіального розрядного контуру L визначається виразом [7]:
де μо – магнітна постійна; q – радіус розрядного каналу;
p – радіус зовнішнього струмопроводу.
Для зменшення індуктивності L слід зменшувати величину q, але такий підхід є недостатньо ефективним, оскільки зменшення L за рахунок зменшення qобмежується товщиною діелектричної стінки конденсатора, коли він відбувається його пробою. Розрахунки показують, що індуктивність розрядного контуру пристрої-прототипі становить сотні наногенрі.
Таким чином, недоліками азотного лазера, прийнятого за прототип, є невисокі енергетичні характеристики імпульсного випромінювання та недостатній ККД накачування.
Завдання, яке вирішується винаходом, - підвищення енергетичних характеристик імпульсного випромінювання і ККД накачування газових лазерів з поздовжнім розрядом.
Вказана задача вирішується тим, що в азотному лазері, що включає розрядний канал, електроди для збудження в розрядному каналі поздовжнього електричного розряду, приєднані до пристрою формування високовольтних імпульсів накачування, і резонатор, розрядний канал формується між трьома пластинами з діелектричного матеріалу, розташованими паралельно один одному, при цьому в крайніх пластинах виконані наскрізні отвори, розташовані навпроти електродів, а в центральній пластині з протилежного боку від згаданих отворів виконаний наскрізний паз, розрядний канал має в поздовжньому перерізі П-подібну форму, при цьому порожнини між крайніми пластинами центральною пластиною утворюють плечі П -подібного розрядного каналу, з'єднані між собою пазом.
Параметри розрядного каналу вибираються з умов:
де b і з - відповідно ширина та висота розрядного каналу, d - відстань між плечами розрядного каналу.
Сутність винаходу полягає у формуванні П-образного розрядного каналу і відповідному розташуванні електродів щодо плечей розрядного каналу, що забезпечує протікання струму в плечах розрядного каналу в протилежних напрямках щодо один одного і призводить до суттєвогозниження величини індуктивності такого розрядного контуру.
Винахід ілюструється кресленнями. На фіг.1 схематично зображено заявляється азотний лазер, на фіг.2 наведена форма і геометричні розміри розрядного каналу.
Азотний лазер складається з активного елемента, резонатора та пристрою формування імпульсів. Активний елемент утворений діелектричними пластинами 1 і 2, між якими розташована тонка діелектрична пластина 3, виконана, наприклад, кварц, скла або кераміки. На пластині 1 розташований катод 4, а на пластині 2 - анод 5, приєднані до пристрою формування високовольтних імпульсів накачування 6, що включає імпульсний генератор (виконаний, наприклад, у вигляді генераторів Блюмляйна, Маркса або імпульсного трансформатора), і приєднаний до нього низькоіндуктив енергії. У пластинах 1 і 2 виконані наскрізні отвори 7 і 8, навпроти яких розташовані катод 4 і анод 5. У центральній пластині 3 з протилежної сторони отворів 7 і 8 виконаний паз 9. Отвори 7 і 8 і паз 9 розташовані таким чином, що в просторі між пластинами 1, 2, 3 формується розрядний канал 10, що має в поздовжньому перерізі П-подібну форму, при цьому порожнини між пластинами 1 і 2 з одного боку і центральною пластиною 3 з іншого боку утворюють плечі розрядного каналу 10, з'єднані між собою пазом 9. З торців розрядний канал 10 герметизується вікнами 11 і 12 розташованими, наприклад, під кутом Брюстера. Оптичний резонатор утворений «глухим» дзеркалом 13 і прозорим вихідним дзеркалом 14. Введення газу розрядний канал 10 здійснюється через отвір 15, виконане у верхній пластині 1.
Геометричні параметри розрядного каналу вибираються з таких міркувань.
Індуктивність L розрядного каналупрямокутного перерізу (фіг.2) визначається співвідношенням [7]:
Як випливає з (5), індуктивність L розрядного каналу визначається співвідношенням між величинами b, c і d, де b і відповідно ширина і висота розрядного каналу, d - відстань між його плечима (товщина центральної діелектричної пластини 3).
Заявником встановлено, що найбільше зниження індуктивності розрядного контуру досягається за таких умов:
Для типових значень b = 3 мм, з = 30 мм, d = 1 мм і загальної протяжності розрядного каналу 0,5 м його індуктивність складе 6 наногенрі, що значно менше індуктивності коаксіального розрядного контуру пристрою-прототипу при порівнянних геометричних розмірах.
Азотний лазер згідно з винаходом працює наступним чином. Через отвір 15 розрядний канал напускається газ (азот). Потім від пристрою 6 на катод 4 та анод 5 подається високовольтний імпульс, в результаті чого в розрядному каналі виникає поздовжній електричний розряд, що збуджує робочі рівні молекул азоту і призводить до генерації лазерного випромінювання. Струми I1 і I2 у плечах розрядного каналу 10 течуть у протилежних напрямках. Близькість струмів I1 і I2 призводить до ефективного віднімання магнітних потоків, що породжуються цими струмами, і відповідного зменшення індуктивності розрядного контуру, що забезпечує досягнення в газовому розряді більших за величиною і менших за тривалістю струмів накачування. Це, у свою чергу, призводить до підвищення ефективності накачування та досягнення більш високих значень енергії випромінювання в імпульсі за малої тривалості імпульсу лазерного випромінювання.
Лазерне випромінювання генерується в резонаторі між дзеркалами 13 і 14 і виходить через дзеркало прозоре 14 назовні.
Таким чином, у порівнянні зпристроєм-прототипом заявляється азотний лазер дозволяє отримати більш високі енергетичні характеристики лазерного випромінювання та ККД накачування.
1. В.М.Каслін, Г.Г.Петраш. "Імпульсні газові лазери на електронних переходах молекул". - Праці ФІАН. - М., Наука, 1971, т.81, с.88-185.
2. В.В.Савін, В.Ф.Тарасенко, Ю.І.Бичков. "Дослідження перехідної стадії розряду в азотному лазері". - ЖТФ, 1976, с.198-201.
3. Ю.І.Бичков, В.В.Савін. В.Ф.Тарасенко. "Енергетичні властивості азотного лазера". - газові лазери. За ред. Р.І.Солоухіна та В.П.Чеботарьова. Новосибірськ, Наука, 1977 р., с.224-238.
4. А.М.Ражев, Г.Г.Телегін. "Імпульсні ультрафіолетові лазери на молекулярному азоті". - Зарубіжна радіоелектроніка, 1978, №3, с.76-94.
5. В.В.Кюн, В.Г.Самородов, Ю.М.Токунов. "Імпульсно-періодичні азотні лазери". Огляди з електронної техніки, серія 11, випуск 2 (1437), 1989, с.14-22.
6. Патент США №4367553, НКІ 372/55, 1983 р. (прототип).
7. П.Л.Калантаров, Л.Н.Цейтлін. "Розрахунок індуктивностей. Довідкова книга". Ленінград, Енергія, 1970 р., 416 с.
1. Азотний лазер, що включає розрядний канал, електроди для збудження в розрядному каналі поздовжнього електричного розряду, приєднані до пристрою формування високовольтних імпульсів накачування, і резонатор, який відрізняється тим, що розрядний канал формується між трьома пластинами з діелектричного матеріалу, розташованими паралельно один одному, цьому в крайніх пластинах виконані наскрізні отвори, розташовані навпроти електродів, а в центральній пластині з протилежного боку від згаданих отворів виконаний наскрізний паз, розрядний канал має в поздовжньому перерізі П-подібну форму, при цьому порожнини між крайніми пластинами та центральноюпластиною утворюють плечі П-подібного розрядного каналу, з'єднані між собою пазом.
2. Азотний лазер за п.1, який відрізняється тим, що параметри розрядного каналу вибираються з умов
де b і з - відповідно, ширина та висота розрядного каналу, d - відстань між плечами розрядного каналу.