ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР
GAS LASER

2
Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к газовым лазерам ТЕ-типа с высокой частотой следования импульсов, таким как эксимерные, азотные, СО-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.