ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно к электроразрядным газовым ТЕ и TEA лазерам, для накачки которых требуются высоковольтные импульсы длительностью 1-20 нс и может быть использована в лазерной технологии, лазерной спектроскопии, для накачки жидкостных лазеров.
Известен азотный лазер, включающий источник накачки, содержащий генератор Блюмляйна на основе двойной коаксиальной линии (A.M.Ражаев, Г.Г.Телегин «Импульсные ультрафиолетовые лазеры на молекулярном азоте». Зарубежная радиоэлектроника, 1978 г., №3, стр.76-94).
Известен также азотный лазер, состоящий из активного элемента, резонатора и устройства формирования высоковольтных импульсов возбуждения (В.В.Кюн и др. «Импульсно-периодические азотные лазеры», Обзоры по электронной технике, серия 11, выпуск 2, 1989 г., стр.14-22).
В данном устройстве активный элемент лазера включает коаксиальную трубку с разрядным каналом и электродами - катодом и анодом, а резонатор образован глухим диэлектрическим зеркалом и кварцевой пластинкой без покрытия.
Общим недостатком указанных устройств является большая величина индуктивности протяженной разрядной цепи, не позволяющая формировать импульсы накачки малой длительности и с большим током и, соответственно, не позволяющая получать высокие значения энергии лазерного излучения в импульсе и импульсной мощности.
Известен молекулярный газовый лазер с электрическим возбуждением активной газовой среды, в качестве которой может использоваться азот (патент US №4367553, H01S 3/097, 1983 г.).
Лазер состоит из двух последовательно расположенных цилиндрических конденсаторов, активного элемента, размещенного в сквозном отверстии, выполненном в одном из конденсаторов, резонатора и устройства формирования высоковольтных импульсов накачки. Разрядный канал образован цилиндрической диэлектрической трубкой, на торцах которой размещены электроды. При разряде конденсаторов в разрядном канале активного элемента возбуждается продольный электрический разряд.
Применение данного устройства обеспечивает уменьшение индуктивности разрядной цепи, однако этого недостаточно для получения мощного лазерного излучения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является азотный лазер с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением, содержащий источник накачки с электродной системой основного разряда и подключенной параллельно ей накопительной емкостью (K.R.Rickwood, A.A.Serafetinides, Semiconductor preionized nitrogen laser. Rev. Sci. Instrum., v.57, 1986, p.1299).
Недостатком известного лазера является то, что накопительная емкость обеспечивает обострение фронта импульса исходного высоковольтного генератора (длительность фронта напряжения на обостряющей емкости меньше, чем длительность фронта исходного генератора) и не может служить для уменьшения импеданса разрядной цепи.
Задачей полезной модели является создание импульсного газового лазера наносекундной длительности с индуктивным генератором в качестве источника заряда накопительной емкости.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении достижения комбинации параметров: минимальное время нарастания напряжения на электродах и максимальный разрядный ток после пробоя.
Для достижения указанного технического результата в газовом лазере с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением, включающем заполненный рабочей смесью корпус, резонатор, источник накачки с электродными системами основного и предварительного разрядов, накопительной емкостью, согласно предложению, накопительная емкость установлена с возможностью заряда за время до 6-12 нс от индуктивного генератора, содержащего размыкающий ключ, установленный параллельно накопительной емкости и двухстадийный накопитель энергии, состоящий из индуктивности, указанной накопительной емкости и генератора тока.
Согласно предложению, размыкающий ключ, накопительная емкость, индуктивность и электродные системы основного и предварительного разрядов расположены внутри вакуумно-плотного корпуса лазерной головки, а в качестве размыкающего ключа установлен диод с резким восстановлением с быстродействием 1-10 нс рабочим напряжением 10-50 кВ и рабочим пиковым током 10-100 кА, а электродная система предварительного разряда образована диэлектрической пластиной, обращенной к электродам основного разряда, и пластиной обратного токопровода.
Сущность предложения поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично изображен источник импульсной накачки импульсного газового лазера наносекундной длительности.
Следует учесть, что на чертеже для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа технического решения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертеже не представлено.
Газовый, например, азотный лазер, содержит источник накачки, включающую малоиндуктивную накопительную емкость 1, соединенную с электродной системой основного разряда, а именно, анодом 2 и катодом 3 с возможностью обеспечения минимальной индуктивности соединения.
Газовый лазер также включает электродную систему предварительного разряда, которая образована диэлектрической пластиной 4, обращенной к электродам основного разряда, и пластиной обратного токопровода 5.
Для улучшения параметров газового лазера источник накачки включает размыкающий ключ 6 и двухстадийный накопитель энергии, состоящий из индуктивности 7, накопительной емкости 1 и генератора тока 8.
При этом размыкающий ключ 6 установлен параллельно накопительной емкости 1, а конструктивно расположен вместе с накопительной емкостью 1, индуктивностью 7 и электродными системами основного и предварительного разрядов внутри вакуумно-плотного корпуса лазерной головки 9.
Устройство работает следующим образом.
Для эффективной работы азотного лазера необходимо к электродам системы основного разряда аноду 2 и катоду 3 приложить импульс напряжения с фронтом в диапазоне 1-10 нс амплитудой 10-50 кВ.
В результате приложения указанного импульса возникает разряд в газовом зазоре между анодом 2 и катодом 3, после чего необходимо пропускать ток между анодом 2 и катодом 3 в течение 1-10 нс с пиковым значением 10-100 кА.
Для инициирования электрического пробоя применяют подсветку ультрафиолетовым излучением при поверхностном разряде на диэлектрической пластинке 4, при этом к диэлектрической пластинке 4 прикладывают тот же импульс напряжения, что и к аноду 2 и катоду 3.
Вначале возникает поверхностный разряд с ультрафиолетом, который освещает зазор между анодом 2 и катодом 3, далее возникает пробой и протекает разрядный ток 10-100 кА.
Генератор тока 8 обеспечивает форму тока и его амплитуду, оптимальные для работы размыкающего ключа 6.
При этом происходит нарастание тока через индуктивность 7 и размыкающий ключ 6. Энергия накапливается в индуктивности 7 пропорционально квадрату тока.
В момент времени, когда в индуктивности 7 накапливается энергия, достаточная для работы лазера, происходит размыкание ключа 6 и энергия из индуктивности 7 переходит в накопительную емкость 1.
В момент перехода энергии из индуктивности 7 в накопительную емкость 1 напряжение на емкости 1 и, соответственно, на аноде 2 и катоде 3 за время 1-10 нс возрастает до пикового значения 10-50 кВ.
Для работы источника накачки азотного лазера необходимо иметь размыкающий ключ 6 с быстродействием 1-10 нс рабочим напряжение 10-50 кВ и рабочим пиковым током 10-100 кА. Подобным ключом может быть диод с резким восстановлением (ДРД ключ).
После достижения максимального значения напряжения возникает разряд на диэлектрической пластине 4, ультрафиолет светит на зазор, происходит пробой между электродами и возникает пиковый ток разряда из накопительной емкости 1.
Использование поверхностного разряда на диэлектрической пластине 4 значительно упрощает и удешевляет конструкцию ультрафиолетовой подсветки.
Использование источника накачки лазера с размыкающим ключом 6 обеспечивает достижение необходимой комбинации параметров: минимальное время нарастания напряжения на электродах и максимальный разрядный ток после пробоя. Другие варианты системы не обеспечивают подобной оптимизации.
Дополнительное преимущество источника накачки с размыкающим ключом 6 заключается в ее высокой временной стабильности, которая лучше 0,1 нс. Это позволяет использовать несколько таких схем параллельно в одном лазере.
Другие схемы с использованием ключей в виде разрядников или тиратронов не обладают подобной стабильностью и поэтому не могут работать в подобном режиме.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет построение индуктивных высоковольтных генераторов для формирования с высокой эффективностью высоковольтных импульсов с фронтами ~1-1,5 нс и длительностью несколько не на активной нагрузке в десятки Ом.
Импеданс электроразрядных газовых лазеров, возбуждаемых наносекундными импульсами (лазеры на самоограниченных переходах - N2 и H2 - лазеры, эксимерные лазеры) находится в интервале от десятых долей Ом до нескольких Ом.
При подаче высоковольтного импульса от индуктивного генератора заряд накопительной емкости происходит за время до 6-12 нс в зависимости от величины накопительной емкости и количества ДРВ.
В нашем случае накопительная емкость служит для уменьшения импеданса разрядной цепи (время заряда превышает длительность фронта индуктивного генератора на резистивную нагрузку).
Высокая скорость нарастания напряжения накопительной емкости позволяет обеспечить высокую эффективность предварительной ионизации и перенапряжение на разрядном промежутке, которое позволяет получить оптимальное соотношение напряженности электрического поля к давлению газовой смеси в момент пробоя разрядного промежутка и обеспечить формирование короткого импульса тока высокой плотности, что позволяет повысить коэффициент полезного действия лазера.