ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к газоразрядным ТЕ-лазерам, таким как эксимерные, азотные, СО₂-лазеры.

Известен ТЕ-лазер, патент США №4240044. В этом устройстве предыонизатор коронного разряда расположен вблизи боковой поверхности одного из основных электродов на расстоянии от противоположного электрода большем, чем расстояние между рабочими поверхностями основных разрядных электродов. Предыонизатор освещает только часть разрядного промежутка и поверхность только одного противоположного основного разрядного электрода, что не позволяет получить стабильный разряд.

Известен ТЕ-лазер, патент США №6546036, в котором устройства коронной предыонизации установлены внутри разрядных электродов. Так как рабочие поверхности основных электродов состоят из нескольких частей, расположенных на расстоянии друг от друга, разряд накачки между основными электродами получается неоднородным и нестабильным, что не обеспечивает высокого качества лазерного излучения.

Известно электродное устройство ТЕ-лазера, заявка РФ №2007100984. В этом устройстве внутренние электроды предыонизаторов коронного разряда соединены проводником, что позволяет получить предыонизацию лазерной газовой смеси без высоковольтных вводов через корпус газоразрядной камеры.

Известен ТЕ-лазер с высокой частотой повторения импульсов, заявка Японии №2004186310. В этом лазере предыонизаторы коронного разряда расположены с четырех сторон разрядного промежутка, образованного сплошными электродами. Однако предыонизаторы расположены в зоне газового потока, что увеличивает сопротивление газовому потоку. Газ, движущийся с высокой скоростью, образует локальные турбулентности, распространяющиеся в область разряда накачки. Это препятствует стабильной работе в режиме высокой частоты повторения импульсов. Расположение предыонизаторов непосредственно в зоне потока вблизи электродов может приводить к паразитным пробоям между основными электродами через предыонизаторы. Кроме того, так как предыонизаторы расположены вблизи основного разрядного промежутка, образованного основными разрядными электродами, электрическое поле в основном разрядном промежутке искажается присутствием устройств предыонизации, что отрицательно влияет на качество объемного газового разряда и снижает однородность пучка лазерного излучения в поперечном сечении. Предыонизаторы освещают не только зону объемного разряда, но и поверхность изолятора, расположенного между высоковольтным электродом и корпусом, что требует увеличения габаритов лазера.

Задачей изобретения является создание газоразрядного ТЕ-лазера, эффективно работающего в режиме высокой частоты повторения импульсов.

Газоразрядный лазер, содержащий пару установленных в корпусе и соединенных с источником питания основных сплошных протяженных электродов, рабочие поверхности которых образуют зону объемного разряда, рядом с боковой поверхностью каждого основного электрода, на расстоянии до противоположного электрода большем, чем расстояние между рабочими поверхностями основных разрядных электродов, установлено хотя бы одно устройство ультрафиолетовой предыонизации, средство прокачки газа, радиатор, окна для вывода излучения, на входе газа в зону объемного разряда и на выходе установлены диэлектрические направляющие газового потока, хотя бы две из которых установлены с зазорами относительно основных разрядных электродов, устройства предыонизации расположены вне зоны газового потока, образованной направляющими газового потока в таком положении, чтобы ультрафиолетовое излучение от каждого устройства предыонизации попадало в зону объемного разряда через указанные зазоры.

Ультрафиолетовое излучение от устройств предыонизации попадает в зону объемного разряда как минимум с двух противоположных сторон, что обеспечивает засветку теневых зон, имеющих место при использовании только одного предыонизатора, удаленного от противоположного электрода на расстояние, большее расстояния между электродами. Наличие устройств предыонизации у каждого электрода и то, что ультрафиолетовое излучение от устройств предыонизации попадает в зону объемного разряда и на рабочую поверхность противоположного основного электрода, обеспечивает ионизацию газа во всей зоне объемного разряда, включая зоны у рабочих поверхностей основных электродов, что создает условия для качественного стабильного объемного разряда. Так как ультрафиолетовое излучение от предыонизаторов попадает в зону объемного газового разряда через зазор, освещение иных частей лазера минимизировано. Уровень освещенности ультрафиолетовым излучением от устройств предыонизации поверхностей изоляторов уменьшен, что исключает пробои и снижает потери прикладываемой к электродам энергии из-за поверхностных токовых утечек, обеспечивая стабильность работы лазера в течение длительного времени. Направляющие газового потока формируют однородный газовый поток в зоне объемного разряда и снижают сопротивление газопрокачного контура. Устройства предыонизации расположены вне зоны основного газового потока, образованной направляющими газового потока и рабочими поверхностями основных разрядных электродов, и, таким образом, не создают препятствия распространению газа с высокой скоростью, что обеспечивает работу лазера с высокой частотой повторения импульсов. Устройства предыонизации освещают зону объемного разряда через зазоры, удалены от рабочих поверхностей основных электродов и направляющих потока, поэтому электрическое поле в зоне объемного разряда не искажается, что способствует повышению однородности разряда. Наличие электрически прочных диэлектрических направляющих исключает возможность паразитного электрического пробоя, который может быть инициирован устройствами предыонизации. В итоге, предлагаемое техническое решение позволяет получить пространственно однородный объемный газовый разряд между основными разрядными электродами с более высокой частотой следования импульсов, без образования паразитных пробоев как по поверхности изоляторов, так и по газовым промежуткам, и обеспечить стабильную работу лазера при большем ресурсе.

Устройства предыонизации расположены со стороны выхода газа из зоны объемного основного разряда. При таком варианте исполнения предлагаемого технического решения газ в зоне объемного разряда не загрязняется продуктами работы предыонизаторов и имеет высокую электрическую прочность, так как продукты работы предыонизации не сносятся основным потоком в зону объемного разряда. Кроме того, отсутствие зазоров между электродами и направляющими потока на входе газа в разрядный промежуток способствует более однородному потоку в разрядном промежутке. Оба фактора способствуют более качественному объемному газовому разряду накачки, что существенно для обеспечения высоких пространственных и спектральных характеристик излучения лазера.

Устройства предыонизации расположены со стороны входа газа в зону объемного разряда. При таком расположении зазоры между направляющими потока и основными разрядными электродами расположены в зоне поступающего от средства прокачки в зону объемного разряда газа, электрическая прочность которого выше электрической прочности отработанного газа на выходе из зоны объемного разряда, что позволяет приблизить рабочие поверхности предыонизаторов к разрядному промежутку не вызывая паразитных пробоев. Это повышает интенсивность предыонизации в зоне объемного разряда, что важно, например, для СО₂-лазеров.

Одно из устройств предыонизации расположено со стороны входа газа в зону объемного разряда, а другое устройство предыонизации расположено со стороны выхода газа из зоны объемного разряда. При таком исполнении зона объемного разряда оказывается более равномерно освещенной излучением от предыонизаторов в поперечном сечении объемного разряда накачки, что позволяет получить качественный однородный объемный разряд в сечении, перпендикулярном оптической оси и, соответственно, более однородное распределение энергии по пучку.

Устройства предыонизации установлены у каждой боковой поверхности основных электродов. Расположение предыонизаторов с четырех сторон зоны объемного разряда позволяет получить более интенсивное и равномерное освещение зоны объемного разряда и, соответственно, более однородное распределение энергии в пучке излучения лазера и увеличить КПД лазера.

Направляющие, установленные с зазором относительно основных разрядных электродов, и боковые поверхности электродов образуют дополнительный газовый канал, в котором расположена излучающая часть устройства предыонизации. Дополнительный газовый канал поддерживает излучающую часть предыонизатора в рабочем состоянии в режиме высокой частоты следования импульсов, отводя продукты работы устройства предыонизации и охлаждая рабочую зону предыонизатора.

Устройство предыонизации является устройством предыонизации коронного разряда, содержащим внутренний электрод и изолятор. Устройство предыонизации на основе коронного разряда позволяет получить однородное по всей длине электродов ионизирующее излучение в газоразрядном объеме лазера при компактности и простоте конструкции.

Хотя бы одно устройство предыонизации установлено в выемке, выполненной в боковой поверхности основного разрядного электрода. Это позволяет уменьшить габариты электродной системы лазера, а следовательно, уменьшить индуктивность разрядного контура накачки, что увеличивает КПД преобразования электрической энергии накачки в лазерное излучение, а это существенно, особенно для эксимерных лазеров.

Хотя бы одно устройство предыонизации установлено в продольной выемке, выполненной в боковой поверхности направляющей газового потока, обращенной к боковой поверхности основного разрядного электрода. Это позволяет минимизировать засветку ультрафиолетовым излучением иных частей лазера, устранить возможность пробоя по поверхностям высоковольтных изоляторов, что особенно важно для поверхностей изоляторов и направляющих, близких к высоковольтному электроду разряда накачки.

Хотя бы одна направляющая газового потока и изолятор устройства предыонизации выполнены в виде одного диэлектрического элемента. При таком исполнении изолятор устройства предыонизации и направляющая потока выполнены в виде одного элемента из диэлектрического материала, в котором установлен внутренний электрод. При этом обращенная к газовому потоку сторона данного диэлектрического элемента выполняет функцию направляющей основного газового потока, а обращенная к боковой поверхности электрода сторона выполняет функцию рабочей поверхности предыонизатора и стенки дополнительного газового канала для отвода продуктов коронного разряда. Это упрощает конструкцию лазера и уменьшает проблемы отвода тепла от плавно сопряженной с направляющей потока рабочей поверхности предыонизатора.

Внутренние электроды устройств коронной предыонизации соединены между собой токопроводом. В таком исполнении для работы предыонизаторов не требуется подключения дополнительной цепи питания предыонизации, а также выполнения высоковольтных вводов электропитания через корпус, что существенно упрощает конструкцию лазера и делает предлагаемое техническое решение легко реализуемым.

Техническим результатом предлагаемого решения является создание газоразрядного лазера, обеспечивающего режим высокой частоты повторения импульсов при высоком качестве лазерного излучения.

На фиг.1 представлено поперечное сечение лазера, в котором предыонизаторы коронного разряда установлены со стороны выхода газа из зоны объемного разряда, и размещены в выемках электродов и направляющих потока.

На фиг.2 представлено сечение электродной системы лазера по фиг.1

На фиг.3 представлено поперечное сечение электродной системы лазера, в котором предыонизаторы коронного разряда установлены как со стороны входа газа в зону объемного разряда, так и со стороны выхода и выполнены с интегрированным исполнением предыонизаторов и направляющих потока.

На фиг.1, 2 основные электроды 1, 2 соединены с источником питания 3, установлены в герметичном корпусе, образованном металлической камерой 4 и изолирующей крышкой 5. Как видно из фигур, предыонизатор коронного разряда 6, установлен в выемке основного электрода 1, на расстоянии до электрода 2 большем, чем расстояние между электродами 1, 2. Внешним электродом устройства предыонизации 6 является основной электрод 1, а внешним электродом устройства предыонизации 7 является основной электрод 2. Предыонизатор коронного разряда 7 установлен в выемке электрода 2, на расстоянии до электрода 1, большем, чем расстояние между электродами 1, 2. Направляющие потока 8, 9 установлены с зазорами S1 и S2 относительно электродов 1, 2. Направляющие 8, 9, 10, 11 и рабочие поверхности основных электродов 1, 2 образуют зону формирования однородного высокоскоростного газового потока. Направляющие 10, 11 образуют стенки конфузора на входе газового потока в зону объемного разряда, направляющие 8, 9 образуют диффузор на выходе. Устройства предыонизации выполнены из диэлектрических трубок 12, 14 с внутренними электродами 13, 15 и установлены в таком положении относительно электродов и направляющих потока, чтобы через зазоры S1 и S2 обеспечить полную засветку ультрафиолетовым излучением зоны объемного разряда D, расположенную между рабочими поверхностями основных разрядных электродов 1, 2. Электрод 1 высоковольтный и установлен на изолирующей крышке 5, электрод 2 заземлен и малоиндуктивно подсоединен к источнику питания через газопрозрачные токопроводы 16, 17. В корпусе установлено средство прокачки лазерной газовой смеси в виде рабочего колеса диаметрального вентилятора 18 и радиатор охлаждения газовой смеси 19. Канал F проходит вдоль рабочей поверхности предыонизатора 7 и соединяет зоны газопрокачного контура с разным давлением газа. Окно 20 служит для вывода лазерного излучения из газоразрядной камеры.

Устройство по Фиг.1, 2 работает следующим образом. При включении лазера средство прокачки 18 создает поток газа в замкнутом газопрокачном контуре лазера. Направляющие 8, 9, 10, 11 установлены в качестве стенок диффузор-конфузорного перехода и формируют в зоне объемного разряда D между электродами 1, 2 однородный поток со скоростью более 10 м/с. При подаче высоковольтного импульса между внутренним электродом 13 и электродом 1 и между внутренним электродом 14 и электродом 2 устройств предыонизации 6, 7, на рабочих поверхностях предыонизаторов образуется плазма коронного разряда. Ультрафиолетовое излучение от плазмы коронного разряда через зазоры S1 и S2 между направляющими потока и электродами освещает разрядный промежуток и рабочие поверхности электродов 1, 2, ионизируя газ в зоне объемного разряда D. Затем напряжение подается на основные электроды 1, 2 от источника питания 3. В разрядном промежутке, газ в котором ионизован излучением коронного разряда, возникает объемный газовый разряд накачки. Зона объемного разряда D полностью освещается излучением от предыонизаторов с двух сторон, что обеспечивает качественный однородный объемный разряд и однородное распределение энергии по пучку лазерного излучения.

При последующем импульсе накачки происходит повторение вышеописанной последовательности процессов. Так как ультрафиолетовое излучение от предыонизаторов 6, 7 попадает в зону объемного газового разряда через зазоры S1 и S2, освещение иных частей лазера минимизировано. Уровень освещенности ультрафиолетовым излучением от устройств предыонизации поверхностей диэлектрических направляющих 8, 10 уменьшено, что исключает пробои и снижает потери прикладываемой к электродам энергии из-за поверхностных токовых утечек, обеспечивая стабильность работы лазера в течение длительного времени. Устройства предыонизации освещают зону объемного разряда D через зазоры, удалены от рабочих поверхностей основных электродов и направляющих потока, поэтому электрическое поле в зоне объемного разряда не искажается, что положительно влияет на однородность разряда. Наличие электрически прочных диэлектрических направляющих исключает возможность паразитного, конкурирующего с разрядом накачки, электрического пробоя между электродами и предыонизаторами. Особенно важно, что исключается паразитный пробой по снесенному вниз по потоку, отработанному в предыдущем импульсе накачки газовому объему, электрическая прочность которого снижена продуктами разряда накачки. Это позволяет увеличить частоту следования импульсов при той же скорости потока газа. Устройства предыонизации расположены вне зоны основного газового потока, образованной направляющими газового потока и рабочими поверхностями основных разрядных электродов, и, таким образом, не создают препятствия распространению газа с высокой скоростью, что обеспечивает работу лазера с высокой частотой повторения импульсов. Направляющие газового потока выполнены с гладкой, плавно сопряженной с рабочей поверхностью электродов поверхностью и поэтому формируют однородный газовый поток в зоне объемного разряда, а также снижают сопротивление газопрокачного контура. Все это позволяет при меньшей скорости потока газа получить более высокую частоту следования импульсов, что важно, так как мощность, необходимая для создания потока газа, пропорциональна скорости потока в третьей степени. Таким образом, предлагаемая конструкция лазера обеспечивает эффективную работу лазера с высоким качеством разряда в режиме высокой частоты повторения импульсов.

В варианте исполнения, приведенном на фиг.3, направляющая газового потока и изолятор устройства коронной предыонизации выполнены в виде одного цельного диэлектрического элемента 20, т.е. интегрировано. Диэлектрический элемент 20 установлен с зазором относительно основного электрода 2. Внутренний электрод 21 предыонизации расположен вблизи поверхности Р диэлектрического элемента, обращенной к боковой поверхности электрода 1. Зазор выполняет функцию дополнительного газового канала F. Аналогично установлены направляющие 22, 24, 26 с внутренними электродами соответственно 23, 25, 27. Геометрическое расположение рабочих поверхностей Р, на которых развивается коронный разряд предыонизации, выбрано из условия, чтобы суммарная засветка от всех зон коронного разряда через зазоры обеспечивала полную засветку зоны объемного газового разряда.

Последовательность работы лазера по фиг.3 аналогична изложенному выше. Так как внутренний электрод предыонизации 21, 23, 25, 27 расположен вблизи боковой поверхности основного электрода 1, 2, то именно в этой зоне возникает наибольшая напряженность электрического поля и на поверхности Р развивается коронный разряд предыонизации. Поскольку внутренний электрод предыонизации 21, 23, 25, 27 удален от поверхности R, обращенной к зоне основного газового потока, коронного разряда на ней не возникает. Электрическая прочность поверхности R важна, так как она расположена между высоковольтным электродом 1 и обратным токопроводом 16. Интегрированный диэлектрический элемент имеет сплошную, гладкую поверхность, что создает оптимальные условия для дополнительного потока газа F между боковой поверхностью основного электрода 2 и поверхностью диэлектрического элемента Р, на которой формируется плазма коронного разряда. Расположение устройств предыонизации с четырех сторон зоны объемного разряда позволяет получить более интенсивное и равномерное освещение зоны объемного разряда как в поперечном, так и в продольном сечении зоны объемного разряда накачки. Соответственно, распределение энергии в пучке излучения лазера при таких условиях становится более однородным, а КПД лазера увеличивается.