FR2514958A1

FR2514958A1 - Gas laser discharge tube - is gas-tight housing with central holder for laser material in tubular discharge channel

Info

Publication number: FR2514958A1
Application number: FR8119653A
Authority: FR
Inventors: Anatoly Egorovich Kirilov; Jury Vladimirovich Polunin; Anatoly Nikolaevich Soldatov
Original assignee: INST OPTIKI ATMOSPHERY SIBIR
Current assignee: INST OPTIKI ATMOSPHERY SIBIR
Priority date: 1981-10-20
Filing date: 1981-10-20
Publication date: 1983-04-22
Also published as: FR2514958B1

Abstract

Gas discharge tube for gas lasers consists of a gastight housing with exit openings on the two side faces and with electrodes inside and the shell of a gas discharge channel. The laser material is contained in a holder coaxial to the gas discharge channel. This laser is based on the vapours of chemical elements; the laser material can be located at any point of the gas discharge channel, even where the gas temp. is highest, thus raising the mean capacity and efficiency of such lasers.

Description

L'invention concerne les lasers à gaz et plus précisément les tubes à gaz.des lasers à vapeurs d'éléments chimiques. The invention relates to gas lasers and more precisely to gas tubes. Lasers with vapors of chemical elements.

Ces tubes à gaz peuvent être utilisés pour la création de lasers à vapeurs d'éléments chimiques de puissance moyenne accrue et à grande ouverture du canal de décharge, largement employés dans la localisation optique, dans les systèmes de télécommunications, le sondage de l'atmosphère, l'holographie, la médecine, etc. These gas tubes can be used for the creation of lasers with vapors of chemical elements of increased average power and with large opening of the discharge channel, widely used in optical localization, in telecommunications systems, the sounding of the atmosphere. , holography, medicine, etc.

On connaît un tube à gaz à vapeurs d'éléments chimiques(Instruments et technique de l'essai, N01, 1974, p.160-161), comprenant un tube céramique en oxyde de bé- ryllium, un tube-fourrure renfermant des électrodes cylindriques en tantale disposées à ses extrémités, et des jonctions en covar sur lesquelles sont soudés à joints étanches au vide des tubes de verre avec des fenêtres de sortie. La substance de travail est placée dans des cuvettes d'évaporation, sur la paroi interieure du tube-fourrure. A gas tube with vapor of chemical elements is known (Instruments and technique of the test, N01, 1974, p.160-161), comprising a ceramic tube made of beryllium oxide, a fur tube containing electrodes cylindrical tantalum arranged at its ends, and covar junctions on which are welded with vacuum-tight joints of glass tubes with exit windows. The working substance is placed in evaporation pans on the inner wall of the fur tube.

On connait un autre tube à gaz de laser à vapeurs de métaux, comprenant un corps mis sous vide, une enveloppe de canal de décharge placée dans le corps, des électrodes montees dans le corps et des fenetres à ses extrémités. Dans ce tube, le metal de travail est disposé en petits morceaux sur les parois du canal de décharge (Electronique quantique, vol.2, N 1, 1975, p.159-162). Le réchauffage du volume de travail jusqu'à la température d'évaporation du métal se fait grâce à la dissipation de l'ener- gie de la décharge. Another metal vapor laser gas tube is known, comprising a vacuum body, a discharge channel envelope placed in the body, electrodes mounted in the body and windows at its ends. In this tube, the working metal is placed in small pieces on the walls of the discharge channel (Quantum electronics, vol.2, N 1, 1975, p.159-162). The working volume is heated up to the metal evaporation temperature by dissipating the energy from the discharge.

Toutefois, pour augmenter la puissance moyenne et le rendement des lasers à vapeurs d'éléments chimiques, il faut augmenter le volume des tubes à gaz en augmentant le diamètre du canal de décharge, et augmenter l'apport d'énergie par unité de volume actif du laser. Dans les lasers utilisant des tubes à gaz connus, l'augmentation du diamètre du canal de décharge et de l'apport d'énergie de la décharge dans le volume actif conduit à un accroissement important du gradient de température suivant le diamètre, ce qui conduit, à son tour, à ce que la substance de travail disposée sur les parois du canal de décharge se trouve dans une zone où la température est plus basse que celle du gaz au centre du tube à gaz.De ce fait, si l'on maintient la température de la substance de travail à la valeur optimale, le gaz au centre du tube à gaz se trouve surchauffé, ce qui diminue le rendement énergétique du laser. Le gradient de température élevé dans la section du tube a en outre pour effet une distribution transversale irrégulière de la concentration des électrons, une population non uniforme des niveaux lasers inférieurs avant l'impulsion, ect. (Electronique quantique, vol.4, NO 7, 1977, p.l572-1575, recueil d'articles l'Izmeritelnye pribory dlia issledovaniya parametrov prizemykh sloev atmosfery", Tomsk, 1977, p.59-78, 94-97). However, to increase the average power and the efficiency of chemical vapor lasers, it is necessary to increase the volume of the gas tubes by increasing the diameter of the discharge channel, and to increase the energy supply per unit of active volume. of the laser. In lasers using known gas tubes, the increase in the diameter of the discharge channel and the supply of energy from the discharge in the active volume leads to a significant increase in the temperature gradient depending on the diameter, which leads , in turn, that the working substance arranged on the walls of the discharge channel is located in an area where the temperature is lower than that of the gas in the center of the gas tube. maintains the temperature of the working substance at the optimum value, the gas in the center of the gas tube is overheated, which reduces the energy efficiency of the laser. The high temperature gradient in the section of the tube also has the effect of an irregular transverse distribution of the electron concentration, a non-uniform population of the lower laser levels before the pulse, ect. (Quantum electronics, vol.4, NO 7, 1977, p.l572-1575, collection of articles Izmeritelnye pribory dlia issledovaniya parametrov prizemykh sloev atmosfery ", Tomsk, 1977, p.59-78, 94-97).

I1 en résulte de fortes irrégularités radiales de la puissance de génération du laser dans la section du faisceau et une utilisation peu efficace du volume actif du laser. This results in large radial irregularities in the power of generation of the laser in the section of the beam and inefficient use of the active volume of the laser.

On s'est donc proposé de créer un tube à gaz de laser à vapeurs d'éléments chimiques, qui permettrait de disposer la substance de travail dansn'importe quelle zone du canal de décharge, y compris la zone à la plus haute température du gaz, ce qui permettrait d'augmenter la puissance moyenne et le rendement des lasers à vapeurs d'éléments chimiques. It has therefore been proposed to create a gas vapor laser tube for chemical elements, which would allow the working substance to be placed in any zone of the discharge channel, including the zone at the highest temperature of the gas. , which would increase the average power and efficiency of chemical vapor lasers.

Ce problème est résolu du fait que le tube à gaz de laser à vapeurs d'éléments chimiques, comprenant un corps étanche avec des fenêtres de sortie à ses extrémités et des électrodes montées à l'intérieur, et une enveloppe du canal de décharge renfermant la substance de travail et disposée dans le corps, est doté, selon l'invention,d'un support de substance de travail disposé à l'intérieur de l'enveloppe du canal de décharge, coaxialement par rapport à celle-ci. This problem is solved by the fact that the gas tube of chemical vapor vapors, comprising a sealed body with exit windows at its ends and electrodes mounted inside, and an envelope of the discharge channel containing the working substance and arranged in the body, is provided, according to the invention, with a working substance support disposed inside the envelope of the discharge channel, coaxially with respect thereto.

Le support peut être réalisé sous la forme d'une tige ou d'un tube aux parois percées de trous. The support can be produced in the form of a rod or a tube with walls pierced with holes.

Pour que la génération dans un même tube à gaz se fasse en même temps dans plusieurs milieux actifs,c'est à-dire, dans les vapeurs de métaux à différentes températures de travail, il est préférable de réaliser le support sous la forme d'un jeu de tubes disposés coaxialement. In order for the generation in the same gas tube to take place simultaneously in several active media, that is to say, in the vapors of metals at different working temperatures, it is preferable to produce the support in the form of a set of tubes arranged coaxially.

I1 est préférable de fabriquer le support en céramique de béryllium, quelle que soit sa forme de réalisation. It is preferable to manufacture the beryllium ceramic support, whatever its embodiment.

Le tube à gaz réalisé selon l'invention permet de créer un laser à vapeur d'éléments chimiques se caractérisant par une haute puissance moyenne de rayonnement. The gas tube produced according to the invention makes it possible to create a vapor laser of chemical elements characterized by a high average power of radiation.

Le tube à gaz dont le support est réalisé sous la forme d'un jeu de tubes coaxiaux permet de créer un laser polychrome à vapeurs d'éléments chimiques. The gas tube, the support of which is produced in the form of a set of coaxial tubes, makes it possible to create a polychrome laser with vapors of chemical elements.

Grâce au flux de diffusion des vapeurs du métal de travail de la zone à la plus haute température > (à proximité de l'évaporateur) vers la zone à température plus basse, ainsi que grâce à l'introduction de surfaces supplémentaires à l'intérieur du canal de décharge (supports, évaporateurs), on obtient une distribution plus uniforme de la concentration des atomes non excités de métal de travail, ce qui permet d'obtenir une distribution bien plus uniforme de la puissance de génération dans la section transversale et d'utiliser de la manièretla plus efficace tout le volume actif du laser avec des grandes ouvertures du canal. Thanks to the flux of diffusion of the working metal vapors from the zone at the highest temperature> (near the evaporator) towards the zone at lower temperature, as well as by the introduction of additional surfaces inside from the discharge channel (supports, evaporators), a more uniform distribution of the concentration of the non-excited atoms of the working metal is obtained, which allows a much more uniform distribution of the generation power to be obtained in the cross section and d use the active volume of the laser most effectively with large channel openings.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés dans lesquels
la Fig.l représente en coupe longitudinale un tube à gaz de laser à vapeurs d'éléments chimiques, doté d'un support sous la forme d'une tige
la Fig.2 est une coupe suivant la ligne Il-Il de la Fig.l
la Fig.3 représente le même tube que la Fig.l, mis avec un support réalisé sous la forme d'un tube
la Fig.4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la Fig.3
la Fig.5 représente le meme tube que la Fig.l, atvec un support réalisé sous la forme d'un jeu de tubes coaxiaux
la Fig.6 est une coupe suivant la ligne VI-VI de la Fig.5.Other characteristics and advantages of the invention will be better understood on reading the description which will follow of exemplary embodiments and with reference to the appended drawings in which
Fig.l shows in longitudinal section a gas tube of chemical vapor vapor, provided with a support in the form of a rod
Fig.2 is a section along the line Il-Il of Fig.l
Fig.3 shows the same tube as Fig.l, put with a support made in the form of a tube
Fig.4 is a section along the line IV-IV of Fig.3
Fig.5 shows the same tube as Fig.l, with a support made in the form of a set of coaxial tubes
Fig.6 is a section along line VI-VI of Fig.5.

Tel qu'il est représenté sur les Fig. 1 et 2, le tube à décharge comprend un corps étanche 1 dans lequel sont montées des électrodes 2 et qui est doté à ses extrémités de fenêtres 3 de sortie du-rayonnement laser. Le corps 1 renferme un canal cylindrique 4 de décharge dans l'axe duquel est placé un support 6 fixé sur des appuis 5 qui sont disposés aux extrémités du canal 4. Le support 6 est réalisé sous la forme d'une tige en céramique de béryllium et porte des cuvettes 7 contenant la substance de travail. As shown in Figs. 1 and 2, the discharge tube comprises a sealed body 1 in which the electrodes 2 are mounted and which is provided at its ends with windows 3 for output of the laser radiation. The body 1 contains a cylindrical discharge channel 4 in the axis of which is placed a support 6 fixed on supports 5 which are arranged at the ends of the channel 4. The support 6 is produced in the form of a beryllium ceramic rod and carries cuvettes 7 containing the working substance.

Le tube de décharge dans le gaz est réalisé selon le mode représenté sur les Fig. 3 et 4 diffère de celui représente sur les Fig. 1 et 2 en ce que le support 8 est réalise sous la forme d'un tube disposé coaxialement dans l'enveloppe du canal 4 de décharge et dot de trous 9 pratiqués dans ses parois. Les cuvettes 7 contenant la substance de travail sont disposées dans ce cas à l'inte- rieur du tube-support 8, ce qui permet de les fixer au support d'une manière plus sûre que sur un support cons titué par une tige. The gas discharge tube is produced according to the mode shown in FIGS. 3 and 4 differs from that shown in Figs. 1 and 2 in that the support 8 is produced in the form of a tube arranged coaxially in the envelope of the discharge channel 4 and provided with holes 9 made in its walls. The cuvettes 7 containing the working substance are arranged in this case inside the support tube 8, which makes it possible to fix them to the support more securely than on a support constituted by a rod.

Tel qu'il est représenté sur les Fig. 5 et 6, le tube à décharge dans le gaz diffère des modes de réalisation ci-dessus décrits en ce que son support 10 est réalisé sous la forme d'un jeu de tubes coaxiaux fixés dans des appuis 11 disposés aux extrémités du canal 4 de décharge. Les tubes 10 sont fabriqués en céramique à base d'oxyde de béryllium, se caractérisant par une bonne conductibilité thermique, par une faible conductibilité électrique aux températures jusqu'à 2000 K et par une bonne résistance aux chocs thermiques. Chaque cuvette 7 à à substance de travail est disposée sur la paroi du tube 10 correspondant. As shown in Figs. 5 and 6, the gas discharge tube differs from the embodiments described above in that its support 10 is produced in the form of a set of coaxial tubes fixed in supports 11 arranged at the ends of the channel 4 of dump. The tubes 10 are made of ceramic based on beryllium oxide, characterized by good thermal conductivity, by low electrical conductivity at temperatures up to 2000 K and by good resistance to thermal shocks. Each bowl 7 with a working substance is placed on the wall of the corresponding tube 10.

Le fonctionnement du tube à gaz de laser à vapeurs d'éléments chimiques est le suivant. The operation of the chemical vapor vapor gas tube is as follows.

Le tube à gaz est mis sous vide, rempli d'un gaz tampon, du néon par exemple, jusqu'à la pression de fonctionnement nécessaire et scellé. On applique aux électrodes 2 (Fig. 1,2 ) des impulsions de tension fournies par un générateur (non représenté sur les dessins) de tension impulsionnelle à haute fréquence de répétition (10 à 100 kHz). Cela engendre une décharge électrique impulsion- nelle dans les zones du canal 4 de décharge, le long de la tige-support 6 portant les cuvettes 7 et dans les espaces annulaires des tubes 10 (Fig.5,6) disposés coaxialement dans le canal 4 de décharge. Grâce à la libération d'énergie pendant la décharge, le gaz se trouvant dans toutes les zones du canal 4 de décharge (Fig. 1 à 6) est chauffé jusqu'aux températures nécessaires à l'évapora- tion des métaux de travail contenus dans les cuvettes 7. The gas tube is evacuated, filled with a buffer gas, for example neon, up to the necessary operating pressure and sealed. Voltage pulses supplied by a pulse voltage generator with high repetition frequency (10 to 100 kHz) are applied to the electrodes 2 (FIG. 1,2). This generates an impulse electrical discharge in the zones of the discharge channel 4, along the support rod 6 carrying the cuvettes 7 and in the annular spaces of the tubes 10 (Fig. 5,6) arranged coaxially in the channel 4 discharge. Thanks to the release of energy during discharge, the gas in all the zones of the discharge channel 4 (Fig. 1 to 6) is heated to the temperatures necessary for the evaporation of the working metals contained in the bowls 7.

Grâce au gradient de température naturel, résultant du fait que les tubes-supports 10 (Fig. 5,6) coaxiaux se comportent en écrans et sont conçus de manière que leur épaisseur de paroi et la valeur des espaces annulaires assurent une distribution déterminée des températures dans les zones, on obtient une concentration optimale des atomes du métal de travail correspondant,dans chacune des zones de températures différentes de canal 4 de décharge. L'excitation du plasma des atomes de métaux de travail par les électrons conduit à l'inversion et déclenche la génération. Le rayonnement sort par les fe nêtres 3 de sortie du tube à gaz.Thanks to the natural temperature gradient, resulting from the fact that the coaxial support tubes 10 (Fig. 5,6) act as screens and are designed so that their wall thickness and the value of the annular spaces ensure a determined distribution of the temperatures in the zones, an optimum concentration of the atoms of the corresponding working metal is obtained, in each of the zones of different temperatures of discharge channel 4. The excitation of the plasma of the working metal atoms by the electrons leads to the inversion and triggers the generation. The radiation exits through the exit windows 3 of the gas tube.

La disposition des cuvettes 7 à substance de travail, sont placées à l'aide des supports spéciaux 6,8,10 (Fig. 1 à 6) dans les zones les plus chaudes du canal 4 de décharge permet d'obtenir les concentrations necessaie res des atomes de substances de travail à des températures plus basses des parois du canal 4 de décharge, ce qui augmente la sécurité de fonctionnement et la durée de vie de la structure. En outre, l'introduction de surfaces supplémentaires dans le canal 4 de décharge permet d'assurer une meilleure uniformité des paramètres du plasma impulsionnel, tels que la température du gaz, la concentration d'atomes de métal de travail, la concentration d'électrons, et de diminuer la non-uniformité des vitesses des processus élémentaires assurant la génération (recombinaison, population et destruction des niveaux de travail, etc. The arrangement of the cuvettes 7 with working substance, are placed using the special supports 6,8,10 (Fig. 1 to 6) in the hottest zones of the discharge channel 4 allows to obtain the necessary concentrations. atoms of working substances at lower temperatures of the walls of the discharge channel 4, which increases the operational safety and the lifetime of the structure. In addition, the introduction of additional surfaces in the discharge channel 4 ensures better uniformity of the parameters of the pulse plasma, such as the temperature of the gas, the concentration of working metal atoms, the concentration of electrons. , and to reduce the non-uniformity of the speeds of the elementary processes ensuring the generation (recombination, population and destruction of the levels of work, etc.

Tout cela permet d'injecter de grandes puissances de pompage dans les tubes à gaz, sans altération de la distribution de la puissance de génération dans la section du faisceau, d'opérer avec de grandes ouvertures des canaux de décharge et, par conséquent, d'obtenir des rayonnements lasers de puissances moyennes et impulsionnelles élevées et un grand rendement. All this makes it possible to inject large pumping powers into the gas tubes, without altering the distribution of the generation power in the section of the beam, to operate with large openings of the discharge channels and, consequently, d '' obtain laser radiation of high average and impulse powers and high efficiency.

Les surfaces supplémentaires diminuent le temps de diffusion des particules de travail en état métastable vers la surface, en accélérant le processus de destuction des métastables, ce qui abaisse le seuil de température de génération et permet d'augmenter la fréquence limite possible de répétition des impulsions de pompage et degénération, ce qui contribue à augmenter davantage la puissance moyenne de génération et l'efficacité des lasers à vapeurs d'éléments chimiques. The additional surfaces decrease the diffusion time of the working particles in metastable state towards the surface, by accelerating the process of destruction of metastables, which lowers the threshold of temperature of generation and allows to increase the possible limit frequency of repetition of the pulses pumping and degeneration, which further increases the average generation power and efficiency of chemical vapor lasers.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au tube à gaz qui vient d'être décrit à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. Of course, various modifications can be made by those skilled in the art to the gas tube which has just been described by way of nonlimiting example, without departing from the scope of the invention.

Claims

1. Chemical vapor gas laser tube comprising a sealed body (1) having outlet windows (3) and electrodes (2) mounted at its ends, and a discharge channel casing (4) containing the working substance and arranged in the body (1), characterized in that it is provided with a support (6) for the working substance, arranged inside the envelope of the channel (4) discharge coaxially with respect thereto.

2. Gas tube according to claim 1, charac terized in that the support (6) is made in the form of a rod.

3. Gas tube according to claim 1, characterized in that the support (8) is produced in the form of a tube with walls pierced with holes (9).

4. Gas tube according to claim 1, charac terized in that the support (10) is formed as a set of tubes arranged coaxially.

5. Gas tube according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the support (6 or 8, or 10) is made of beryllium ceramic.