RU1777526C

RU1777526C - Electric discharge laser with diffusion cooling

Info

Publication number: RU1777526C
Authority: RU
Inventors: А.Ф. Витшас; А.Н. Кушко; Л.П. Менахин; А.М. Сорока; В.В. Чулков
Original assignee: Всесоюзный Электротехнический Институт Им.В.И.Ленина
Priority date: 1989-08-22
Filing date: 1989-08-22
Publication date: 1994-10-15

Abstract

FIELD: laser technology. SUBSTANCE: laser has optical resonator 1, two discharge sections 2 with main electrodes 3 and auxiliary electrodes 5, 6. Pulse voltage source 7 generates sequences of voltage pulses to be applied to auxiliary electrodes 5, 6. Auxiliary electrodes are manufactured in the form of conductive strips applied to outer surface of dielectric tube. Electric discharge which burn between main electrodes 3 of sections excites gas mixture. Increased power of radiation is obtained thanks to stabilization of heat instability of discharge in sections integrated with one common gas volume with the use of lateral auxiliary discharge. Additional increase of power is achieved thanks to use of negative feedback stabilizing discharge and embracing either main power supply source 4 or pulse voltage source 7. EFFECT: increased radiation power. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для возбуждения мощных газовых лазеров с диффузионным охлаждением рабочей смеси. The invention relates to the field of quantum electronics and can be used to excite high-power gas lasers with diffusion cooling of the working mixture.

Известно устройство газового лазера с диффузионным охлаждением рабочей смеси, которое состоит из охлаждаемой жидкостью разрядной трубки, внутри которой с помощью системы электродов создается газоразрядная плазма. По торцам разрядной трубки размещаются зеркала резонатора. Предельная величина мощности излучения, которая достигается в CO₂ лазерах с диффузионным охлаждением, составляет 30-40 Вт/м. Эта величина ограничена скоростью отвода тепла на стенки разрядной трубки.A device for a gas laser with diffusion cooling of the working mixture is known, which consists of a liquid-cooled discharge tube, inside which a gas-discharge plasma is created using a system of electrodes. At the ends of the discharge tube are placed resonator mirrors. The limiting value of the radiation power, which is achieved in CO ₂ lasers with diffusion cooling, is 30–40 W / m. This value is limited by the rate of heat removal to the walls of the discharge tube.

Из конструктивных соображений, связанных с ограничением величины разрядного напряжения и габаритов установки, мощные диффузионные лазера с большой длиной активной среды целесообразно изготавливать в виде ряда более коротких трубок. Излучение проходит через эти трубки последовательно с помощью системы поворотных зеркал, объединяющих их в общий резонатор. Недостатком таких лазеров являются разрывы в трубках и связанные с ними потери излучения в поворотных зеркалах и газовой среде балластных объемов. From design considerations associated with limiting the magnitude of the discharge voltage and the dimensions of the installation, it is advisable to produce powerful diffusion lasers with a long active medium in the form of a series of shorter tubes. Radiation passes through these tubes sequentially using a system of rotary mirrors, combining them into a common resonator. The disadvantage of such lasers is discontinuities in the tubes and the associated loss of radiation in the rotary mirrors and the gaseous medium of ballast volumes.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является электроразрядный лазер, который содержит оптический резонатор, представляющий собой жесткий корпус, на торцах которого в юстировочных устройствах установлены зеркала резонатора. Внутри жесткого корпуса установлены последовательно вдоль оптической оси две разрядные секции, причем каждая секция включает диэлектрическую трубку, на концах которой расположены основные электроды, а на внешней поверхности каждой диэлектрической трубки расположен вспомогательный электрод, выполненный в виде электропроводящего покрытия. The closest in technical essence and the achieved result is an electric discharge laser, which contains an optical resonator, which is a rigid case, at the ends of which resonator mirrors are installed in the alignment devices. Two discharge sections are installed sequentially inside the rigid body along the optical axis, each section comprising a dielectric tube, at the ends of which the main electrodes are located, and on the outer surface of each dielectric tube there is an auxiliary electrode made in the form of an electrically conductive coating.

Недостатком прототипа является низкая мощность излучения, поскольку необходимым условием для устойчивой работы разряда является наличие балластного объема между секциями. В этом объеме отсутствует электрический разряд и, следовательно, не возбуждается активная среда. Это, а также поглощение излучения в балластном объеме ограничивает выходную мощность лазера. The disadvantage of the prototype is the low radiation power, since a necessary condition for the stable operation of the discharge is the presence of ballast volume between the sections. There is no electric discharge in this volume and, therefore, the active medium is not excited. This, as well as absorption of radiation in the ballast volume, limits the output power of the laser.

Целью изобретения является повышение мощности излучения. The aim of the invention is to increase the radiation power.

Это достигается тем, что в электроразрядном лазере с диффузионным охлаждением, содержащем оптический резонатор, две разрядные секции, установленные последовательно вдоль оптической оси резонатора, причем каждая секция включает диэлектрическую трубку, на концах которой расположены основные электроды, один из которых, расположенный между секциями, выполнен общим для обеих секций, основные электроды подключены к основному источнику электропитания, а на внешней поверхности каждой диэлектрической трубки расположен вспомогательный электрод, выполненный в виде электропроводящего покрытия и подключенный к источнику импульсного напряжения, каждая секция снабжена вторым вспомогательным электродом, который также подключен к источнику импульсного напряжения, в каждой секции вспомогательные электроды выполнены в виде полосок, расположенных вдоль оси трубки с зазорами симметрично относительно оси трубки, диэлектрические трубки установлены так, что они вплотную примыкают к расположенному между ними основному электроду, а источник импульсного напряжения выполнен так, что амплитуда его импульсов U_иудовлетворяет соотношению
U_и > 2Ud/l, где U - напряжение статического пробоя между основными электродами одной секции при рабочих параметрах лазерной газовой смеси;
d - внутренний диаметр диэлектрической трубки;
l - длина диэлектрической трубки.This is achieved by the fact that in an electric-discharge laser with diffusion cooling containing an optical resonator, two discharge sections are mounted in series along the optical axis of the resonator, each section comprising a dielectric tube, at the ends of which there are main electrodes, one of which located between the sections, is made common to both sections, the main electrodes are connected to the main power source, and on the outer surface of each dielectric tube there is an auxiliary elec a kind made in the form of an electrically conductive coating and connected to a pulse voltage source, each section is equipped with a second auxiliary electrode, which is also connected to a pulse voltage source, in each section the auxiliary electrodes are made in the form of strips located along the tube axis with gaps symmetrically relative to the tube axis, dielectric tubes are installed so that they are adjacent to the main electrode located between them, and the source of the pulse voltage is made so that the amplitude of its pulses U _and satisfies the relation
U _and > 2Ud / l, where U is the static breakdown voltage between the main electrodes of the same section at the operating parameters of the laser gas mixture;
d is the inner diameter of the dielectric tube;
l is the length of the dielectric tube.

Для повышение мощности излучения каждая разрядная секция может быть снабжена измерителем тока, основной источник электропитания выполнен в виде двух регулируемых блоков и снабжен разностной схемой и инвертором, при этом входы разностной схемы подключены к выходам измерителей тока, а ее выход подключен непосредственно к управляющему входу одного блока и через инвертор - к управляющему входу другого блока основного источника электропитания. To increase the radiation power, each bit section can be equipped with a current meter, the main power supply is made in the form of two adjustable units and is equipped with a difference circuit and an inverter, while the inputs of the difference circuit are connected to the outputs of the current meters, and its output is connected directly to the control input of one unit and through the inverter to the control input of another unit of the main power source.

Для повышения мощности излучения каждая секция может быть снабжена измерителем тока, источник импульсного напряжения выполнен в виде двух регулируемых блоков и снабжен разностной схемой и инвертором, при этом входы разностной схемы подключены к выходам измерителей тока, а ее выход подключен непосредственно к управляющему входу одного регулируемого блока и через инвертор - к управляющему входу другого блока источника импульсного напряжения. To increase the radiation power, each section can be equipped with a current meter, the pulse voltage source is made in the form of two adjustable blocks and is equipped with a difference circuit and an inverter, while the inputs of the difference circuit are connected to the outputs of the current meters, and its output is connected directly to the control input of one adjustable block and through the inverter to the control input of another unit of the pulse voltage source.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг.2 - разрез трубки в сечении А-А; на фиг.3,4 - варианты построения управляемых источников питания. In FIG. 1 shows a block diagram of a device; figure 2 is a section of a tube in section aa; figure 3.4 - options for the construction of controlled power sources.

Устройство содержит оптический резонатор 1, диэлектрическую трубку 2, основные электроды 3, основной источник электропитания 4, первый вспомогательный электрод 5, второй вспомогательный электрод 6, источник импульсного напряжения 7. The device contains an optical resonator 1, a dielectric tube 2, the main electrodes 3, the main power supply 4, the first auxiliary electrode 5, the second auxiliary electrode 6, a pulse voltage source 7.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Источник импульсного напряжения генерирует последовательность импульсов с периодом между импульсами меньшим характерного времени рекомбинации плазмы. Емкостный вспомогательный разряд, возникающий в газовой среде лазера под действием электрических импульсов, приложенных к электродам 5, 6, поддерживает высокую проводимость среды за счет таунсендовской ионизации газа. Электрический разряд, который горит в двух секциях трубки, между основными электродами 3 возбуждает газовую смесь. Питание разряда осуществляется основным источником электропитания 4, подключенным к электродам 3. Генерация излучения осуществляется при достаточно высокой степени возбуждения среды с помощью оптического резонатора 1. The pulse voltage source generates a pulse train with a period between pulses shorter than the characteristic plasma recombination time. A capacitive auxiliary discharge arising in the laser gas medium under the action of electric pulses applied to the electrodes 5, 6 maintains a high conductivity of the medium due to Townsend ionization of the gas. An electric discharge that burns in two sections of the tube between the main electrodes 3 excites the gas mixture. The discharge is powered by the main power source 4 connected to the electrodes 3. Radiation is generated at a sufficiently high degree of excitation of the medium using an optical resonator 1.

На фиг.3 представлен вариант построения основного источника электропитания, который содержит регулируемые блоки 8, измерители токов 9, разностную схему 10, инвертор 11. Figure 3 presents the construction option of the main power source, which contains adjustable units 8, current meters 9, differential circuit 10, inverter 11.

Основной источник электропитания работает следующим образом. The main power source operates as follows.

Сигналы выходов измерителей токов 9 поступают на разностную схему 10, на выходе которой формируется сигнал, пропорциональный разности токов. Этот сигнал регулирует (в противоположные стороны) напряжения блоков 8 таким образом, что изменение вкладываемой мощности компенсирует перетекание газа из одной секции в другую. The signals of the outputs of the current meters 9 are fed to a difference circuit 10, the output of which forms a signal proportional to the difference of the currents. This signal regulates (in opposite directions) the voltage of blocks 8 in such a way that a change in the input power compensates for the flow of gas from one section to another.

На фиг. 4 представлен вариант построения устройства, который содержит регулируемые импульсные блоки 12. In FIG. 4 shows an embodiment of a device that includes adjustable pulse units 12.

Устройство в таком варианте работает следующим образом. Сигналы с выходов измерителей токов 9 поступают на разностную схему 10, на выходе которой формируется сигнал, пропорциональный разности токов. Этот сигнал регулирует (в противоположные стороны) амплитуду импульсов напряжения, которые генерируют регулируемые блоки 12 таким образом, что изменение вкладываемой мощности компенсирует перетекание газа из одной секции в другую. The device in this embodiment works as follows. The signals from the outputs of the current meters 9 are fed to a difference circuit 10, the output of which is a signal proportional to the difference of the currents. This signal regulates (in opposite directions) the amplitude of the voltage pulses that the adjustable units 12 generate so that a change in the input power compensates for the flow of gas from one section to another.

Вспомогательный импульсный разряд, который возбуждается импульсами высокого напряжения, в направлении, перпендикулярном оси трубки, служит для управления проводимостью газа. Таунсендовская ионизация газа во время разрядных импульсов увеличивает плотность плазмы. Между импульсами самостоятельная ионизация газа отсутствует, так как напряженность основного разряда, который горит между электродами секции, недостаточно велика, газоразрядная плазма рекомбинирует. Амплитуда напряжения вспомогательных импульсов выбирается так, чтобы самостоятельная ионизация во вспомогательном разряде компенсировала бы потерю заряженных частиц между импульсами. Длительность тока вспомогательного разряда ограничена распределенной емкостью, образованной внешней поверхностью трубки с металлическим покрытием и внутренней поверхностью трубки, контактирующей с газоразрядной плазмой. Конструкция электродов обладает высокой устойчивостью вспомогательного разряда, поскольку развитие локальных возмущений плазмы ограничено распределенной емкостью. Возникающий тип разряда позволяет более эффективно возбуждать активную среду лазера, поскольку напряжение основного разряда можно регулировать и выбирать так, чтобы эффективность возбуждения верхнего лазерного уровня была максимальна, причем разряд горит устойчиво в обеих секциях при выполнении приведенного соотношения для амплитуды импульсов U_и и источника импульсного напряжения.An auxiliary pulse discharge, which is excited by high voltage pulses, in the direction perpendicular to the axis of the tube, serves to control the conductivity of the gas. Townsend gas ionization during discharge pulses increases the plasma density. Between pulses, there is no independent ionization of the gas, since the intensity of the main discharge that burns between the electrodes of the section is not large enough, the gas-discharge plasma recombines. The voltage amplitude of the auxiliary pulses is chosen so that self-ionization in the auxiliary discharge would compensate for the loss of charged particles between pulses. The duration of the auxiliary discharge current is limited by the distributed capacity formed by the outer surface of the tube with a metal coating and the inner surface of the tube in contact with the gas-discharge plasma. The design of the electrodes is highly stable auxiliary discharge, since the development of local plasma disturbances is limited by the distributed capacity. The emerging type of discharge makes it possible to more efficiently excite the active medium of the laser, since the voltage of the main discharge can be regulated and chosen so that the excitation efficiency of the upper laser level is maximum, and the discharge burns steadily in both sections when the above relation is fulfilled for the pulse amplitude U _{and the} pulse voltage source .

П р и м е р. В разрядном устройстве использовались диэлектрические трубки с внутренним диаметром 2 см, длиной 120 см (с двумя секциями по 60 см), вспомогательные электроды выполнены в виде медного покрытия, нанесенного на внешнюю поверхность трубок (толщина стекла трубки 1 мм). Источник импульсного напряжения генерировал импульсы длительностью 100 нс, амплитудой 5 кВ с частотой 10⁴ Гц. Резонатор состоял из глухого медного зеркала с радиусом скругления 5 см и плоского зеркала из ZnSe. Газовая смесь CO₂:N₂: He при отношении 1:9:20, давление 30 тор. Максимальная выходная мощность излучения 60 Вт или 50 Вт/м.PRI me R. The discharge device used dielectric tubes with an internal diameter of 2 cm and a length of 120 cm (with two sections of 60 cm each), auxiliary electrodes made in the form of a copper coating deposited on the outer surface of the tubes (tube glass thickness 1 mm). A pulsed voltage source generated pulses with a duration of 100 ns, an amplitude of 5 kV, and a frequency of 10 ⁴ Hz. The resonator consisted of a deaf copper mirror with a radius of rounding of 5 cm and a flat mirror of ZnSe. The gas mixture of CO ₂ : N ₂ : He at a ratio of 1: 9: 20, a pressure of 30 torr. The maximum output power of the radiation is 60 W or 50 W / m.

Claims

1. ELECTRIC DISCHARGE LASER WITH DIFFUSION COOLING, comprising an optical resonator, two discharge sections arranged sequentially along the optical axis of the resonator, each section including a dielectric tube, at the ends of which there are main electrodes, one of which located between the sections, is common for both sections while the main electrodes are connected to the main power source, and on the outer surface of each dielectric tube there is an auxiliary electrode, made in the form of an electrically conductive coating and connected to a pulse voltage source, characterized in that, in order to increase the laser radiation power, each section is equipped with a second auxiliary electrode, which is also connected to a pulse voltage source, in each section the auxiliary electrodes are made in the form of strips along the axis of the tube with gaps symmetrically relative to the axis of the tube, and the dielectric tubes are installed so that they are adjacent to the main electrical kind, and the source of the pulse voltage is made so that the amplitude of its pulses U _and satisfies the relation
U _and > 2Ud / l,
where U is the static breakdown voltage between the main electrodes of one section at the operating parameters of the laser gas mixture;
d is the inner diameter of the dielectric tube,
l is the length of the dielectric tube.

2. The laser according to claim 1, characterized in that each discharge section is equipped with a current meter, the main power supply is made in the form of adjustable units and is equipped with a difference circuit and an inverter, while the inputs of the difference circuit are connected to the outputs of the current meters, and its output is connected directly to the control input of one unit and through the inverter to the control input of another unit of the main power source.

3. The laser according to claim 1, characterized in that each section is equipped with a current meter, the pulse voltage source is made in the form of two adjustable units and is equipped with a difference circuit and an inverter, while the inputs of the difference circuit are connected to the outputs of the current meters, directly connected to its output to the control input of one adjustable unit and through the inverter to the control input of another unit of the pulse voltage source.