Устройство для возбуждения разряда в импульсно-периодическом газовом лазере
DEVICE FOR DISCHARGE EXCITATION IN PULSE-PERIODIC GAS LASER

Изобретение относится к технике импульсных газовых лазеров, работающих на смесях с высоким давлением.
В газоразрядном лазере для получения достаточно большого усиления зачастую требуется значительная протяженность активной среды. В лазере с поперечной прокачкой газа для получения объемного разряда, заполняющего активную среду лазера по всей длине (по всему поперечному сечению газовой камеры вдоль оптической оси), требуется применение протяженных электродов.
При использовании протяженных электродов для получения электрического разряда в газе возникает ряд трудностей, касающихся поддержания устойчивости и однородности плазменной среды разряда. Главная проблема - высокая вероятность развития нестабильного разряда, при котором образуются стримеры, закорачивающие электроды.
В связи с этим требуется применение специальных конструктивных решений, касающихся конструкции кюветы и выбора схемы питания лазера. Повысить устойчивость разряда можно путем использования электродов со специальным профилем.
Известно устройство «Устройство для возбуждения разряда атмосферного давления в газовом лазере», в котором предлагается использовать электроды, рабочий участок которых имеет профиль Эрнста (патент РФ 2195753, МПК H01S 3/097, опубликован 27.12.2002).
Недостатком подобного технического решения является сложность изготовления электродов, в особенности соблюдение таких параметров как радиус кривизны закругления электрода и протяженность рабочего участка электрода.
Известны устройства для возбуждения разряда в импульсном газовом лазере, содержащие, кроме основных электродов, также и дополнительные электроды. Предионизация осуществляется за счет возникновения слаботочного разряда между дополнительным электродом, который изолирован от газового разряда, и одним из основных электродов. Формируется тонкий слой ионизованного газа вдоль всей поверхности электрода, и равномерно распределенные в тонком слое газа электроны становятся источниками мощного быстро развивающегося диффузного основного разряда (патент РФ 1840807, МПК H01S 3/09, опубликован 10.12.2010).
Недостаток устройства заключается в жестких требованиях к тщательности исполнения основных элементов конструкции кюветы.
Известно устройство, в котором равномерность распределения разряда по активной среде лазера достигается зажиганием вдоль основных электродов множества макроканалов повышенной электронной плотности. Фактически, этот способ обеспечивает не однородный объемный разряд, а равномерное расположение неоднородностей разряда (макроканалов) вдоль электрода (патент РФ 2321119, МПК H01S 3/097, опубликован 27.03.2008).
11
2
Недостаток метода заключается в необходимости обеспечения скорости зажигания разряда не менее dj/dt≥6×10А/см, что создает конструктивные сложности в изготовлении разрядного контура, соответствующего необходимой для поддержания скорости зажигания разряда плотности тока.
В схемах питания импульсно-периодических лазеров, для получения мощных коротких импульсов, как правило, используются тиратроны. Известно устройство, где лазер содержит импульсную схему питания с накопительной емкостью и коммутатор в виде тиратрона. При разработке лазера стремились получить возможно более высокую скорость следования импульсов длительностью 10 нс (патент РФ 2249282, МПК H01S 3/038, опубликован 27.03.2005).
Недостатком подобной схемы питания является то, что достигнутая частота следования импульсов не превышает 2000 Гц, что явно недостаточно для некоторых типов газоразрядных лазеров.
Наиболее близким аналогом является устройство, электродная система в газоразрядной камере которого содержит секционированные анод и катод для создания стационарного разряда в поперечном потоке газа. Электродная система состоит из секционированных катода и анода, нагруженных на балластные сопротивления. Секции анода выполнены в форме тонких пластин, а секции катода - из игл или штырей. Данное устройство было использовано в качестве прототипа (патент РФ 2370924, МПК Н05Н 1/24, опубликован 20.10.2009).
Недостатком прототипа является способ питания электродов -посредством использования единого генератора. Это требует снабжения подобной схемы мощными ключами, которые имеют неэффективные частотные характеристики.
Целью предложенного устройства является организация разряда за счет усовершенствования конструкции электродов, упрощения конструкции кюветы и устранения недостатков предыдущих разработок, связанных с очевидными конструктивными сложностями и неоднородностями активной среды лазера с поперечной конфигурацией прокачки газа.
В предложенном устройстве кювета для импульсных газовых лазеров высокого давления с поперечным разрядом содержит два плоских параллельных электрода основного разряда - катод и анод. При этом по крайней мере один из электродов состоит из изолированных друг от друга секций. Причем импульсное напряжение, питающее разряд, подается на каждую из секций электрода через отдельный ключ. Технический результат - повышение устойчивости разряда и обеспечение возможности масштабирования лазера.
В предложенном устройстве для организации разряда в отличие от прототипа с целью упрощения изготовления, решено использовать плоские электроды вместо предложенных в прототипе тонких пластин и игл. Кроме того, предлагается изменить способ питания электродов камеры. В прототипе импульсное напряжение питания подается на секции электродов через балластные сопротивления от единого генератора. В предлагаемом нами способе напряжение на каждую секцию электрода поступает от отдельного генератора. Это позволит использовать в генераторе менее мощные ключи-коммутаторы и облегчить их температурный режим. Кроме того, менее мощные ключи, как правило, обладают лучшими частотными характеристиками по сравнению с мощными аналогами. Возможность управления моментом и длительностью включения каждой из секций позволяет использовать усложненные методы контроля разряда.
Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости разряда и обеспечение за счет этого возможности масштабирования лазера за счет увеличения объема активной среды.
Технический результат достигается за счет того, что была усовершенствована известная газоразрядная камера для создания низкотемпературной неравновесной плазмы при атмосферном давлении, содержащая электродную систему из штыревых катодов и секций анода с протоком газа в межэлектродном промежутке. Усовершенствование заключается в том, что используются плоские электроды, установленные в камере поперечно газовому потоку, при этом по крайне мере один электрод разделен на секции, изолированные друг от друга, а импульсное напряжение на каждый из электродов секции подается от отдельного источника импульсов, либо через индивидуальный ключ. В качестве ключей предлагается использовать мощные транзисторы.
Сущность предложенного устройства поясняется чертежом (рис. 1), на котором показана общая схема предлагаемой организации разряда. Высоковольтные импульсы от генераторов ГИ 1 - ГИ N подаются на секции С 1 - С N электрода Э1, отделенные друг от друга изолирующими вставками И. Каждая секция электрода электрически соединена с отдельным генератором. Длительность и частота следования импульсов генераторов ГИ 1 - ГИ N задаются генератором задающих импульсов ЗГ. Импульсные генераторы ГИ питаются от источника питания ИП. Амплитуда импульса на выходе импульсного генератора ГИ определяется величиной выходного напряжения источника питания ИП. Поток газа прокачивается в межэлектродном промежутке, образованном электродами Э1 и Э2.
Таким образом, предлагаемое устройство для возбуждения разряда позволяет поддерживать устойчивость и однородность плазменного разряда, а также упростить конструктивные решения реализации электродов и схемы питания разрядной среды. К тому же становится возможным применение усложненных методов контроля разряда.