RU117731U1

RU117731U1 - GAS LASER

Info

Publication number: RU117731U1
Application number: RU2011135729/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Ефанов; Игорь Витальевич Павлишин
Original assignee: Владимир Михайлович Ефанов
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2012-06-27

Abstract

1. Газовый лазер с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением, включающий заполненный рабочей смесью корпус, резонатор, источник накачки с электродными системами основного и предварительного разрядов, накопительной емкостью, отличающийся тем, что 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. ! 2. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что размыкающий ключ, накопительная емкость, индуктивность и электродные системы основного и предварительного разрядов расположены внутри вакуумно-плотного корпуса лазерной головки. ! 3. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что 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. ! 4. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что электродная система предварительного разряда образована диэлектрической пластиной, обращенной к электродам основного разряда, и пластиной обратного токопровода. 1. Gas laser with preliminary ionization by ultraviolet radiation, including a housing filled with a working mixture, a resonator, a pump source with electrode systems of the main and preliminary discharges, a storage capacity, characterized in that the storage capacity is installed with the possibility of charging in a time up to 6-12 ns from an inductive a generator containing an opening switch installed in parallel with the storage capacitor and a two-stage energy storage device consisting of an inductance, said storage capacitor and a current generator. ! 2. The gas laser according to claim 1, characterized in that the release switch, storage capacity, inductance and electrode systems of the main and preliminary discharges are located inside the vacuum-tight body of the laser head. ! 3. The gas laser according to claim 1, characterized in that an abrupt recovery diode with a speed of 1-10 ns, an operating voltage of 10-50 kV and an operating peak current of 10-100 kA is installed as the disconnecting switch. ! 4. The gas laser according to claim 1, characterized in that the pre-discharge electrode system is formed by a dielectric plate facing the main discharge electrodes and by a plate of the return conductor.

Description

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.The utility model relates to laser technology, namely to electric-discharge gas TE and TEA lasers, for the pumping of which high-voltage pulses of 1-20 ns duration are required and can be used in laser technology, laser spectroscopy, and for pumping liquid lasers.

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).Known is a nitrogen laser including a pump source containing a Blumlyain generator based on a double coaxial line (AMRazhaev, GG Telegin "Pulse ultraviolet lasers based on molecular nitrogen". Foreign radio electronics, 1978, No. 3, pp. 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).Also known is a nitrogen laser consisting of an active element, a resonator, and a device for generating high-voltage excitation pulses (V.V. Kyun et al. "Pulse-Periodic Nitrogen Lasers", Electronic Technology Reviews, Series 11, Issue 2, 1989, p. .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.In this device, the active element of the laser includes a coaxial tube with a discharge channel and electrodes - the cathode and anode, and the resonator is formed by a blank dielectric mirror and an uncoated quartz plate.

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.A common drawback of these devices is the large inductance of an extended discharge circuit, which does not allow the formation of pump pulses of short duration and with a large current and, accordingly, does not allow to obtain high values of laser radiation energy in a pulse and pulse power.

Известен молекулярный газовый лазер с электрическим возбуждением активной газовой среды, в качестве которой может использоваться азот (патент US №4367553, H01S 3/097, 1983 г.).Known molecular gas laser with electrical excitation of an active gas medium, which can be used nitrogen (US patent No. 4367553, H01S 3/097, 1983).

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.The laser consists of two cylindrical capacitors in series, an active element located in a through hole made in one of the capacitors, a resonator and a device for generating high-voltage pump pulses. The discharge channel is formed by a cylindrical dielectric tube, at the ends of which electrodes are placed. When a capacitor is discharged, a longitudinal electric discharge is excited in the discharge channel of the active element.

Применение данного устройства обеспечивает уменьшение индуктивности разрядной цепи, однако этого недостаточно для получения мощного лазерного излучения.The use of this device reduces the inductance of the discharge circuit, but this is not enough to obtain powerful laser radiation.

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).The closest in technical essence and the achieved result to the claimed solution is a nitrogen laser with pre-ionization by ultraviolet radiation, containing a pump source with an electrode system of the main discharge and a storage capacitor connected in parallel with it (KRRickwood, AASerafetinides, 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.A disadvantage of the known laser is that the storage capacitance provides an exacerbation of the pulse front of the original high-voltage generator (the duration of the voltage front at the sharpening capacitance is shorter than the duration of the front of the original generator) and cannot serve to reduce the impedance of the discharge circuit.

Задачей полезной модели является создание импульсного газового лазера наносекундной длительности с индуктивным генератором в качестве источника заряда накопительной емкости.The objective of the utility model is to create a pulsed gas laser of nanosecond duration with an inductive generator as a source of charge of the storage capacitance.

Технический результат полезной модели заключается в обеспечении достижения комбинации параметров: минимальное время нарастания напряжения на электродах и максимальный разрядный ток после пробоя.The technical result of the utility model is to achieve a combination of parameters: the minimum rise time of the voltage at the electrodes and the maximum discharge current after breakdown.

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.To achieve the specified technical result in a gas laser with preliminary ionization by ultraviolet radiation, which includes a housing filled with a working mixture, a resonator, a pump source with electrode systems of the main and preliminary discharges, a storage capacity, according to the proposal, the storage capacity is installed with the possibility of charging for up to 6-12 ns from an inductive generator containing a disconnecting key installed parallel to the storage capacitance and a two-stage energy storage device, consisting d of the inductance indicated by the storage capacitance and the current generator.

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.According to the proposal, the disconnecting switch, the storage capacitance, inductance and electrode systems of the main and preliminary discharges are located inside the vacuum-tight laser head housing, and a sharp recovery diode with a speed of 1-10 ns and an operating voltage of 10-50 kV and a working voltage is installed as a disconnecting key peak current 10-100 kA, and the electrode system of the preliminary discharge is formed by a dielectric plate facing the electrodes of the main discharge, and a plate of the reverse current lead.

Сущность предложения поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично изображен источник импульсной накачки импульсного газового лазера наносекундной длительности.The essence of the proposal is illustrated in the drawing, where Fig. 1 schematically shows a pulsed pump source of a nanosecond pulsed gas laser.

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.It should be noted that for clarity, only those details are presented that are necessary for understanding the essence of the technical solution, and related equipment, well known to specialists in this field, is not shown in the drawing.

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.A gas, for example, nitrogen laser, contains a pump source, including a low-inductance storage capacitance 1, connected to the electrode system of the main discharge, namely, the anode 2 and cathode 3 with the possibility of ensuring a minimum inductance of the connection.

Газовый лазер также включает электродную систему предварительного разряда, которая образована диэлектрической пластиной 4, обращенной к электродам основного разряда, и пластиной обратного токопровода 5.The gas laser also includes an electrode system of preliminary discharge, which is formed by a dielectric plate 4, facing the electrodes of the main discharge, and a plate of the reverse current lead 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.To improve the parameters of a gas laser, the pump source includes a disconnect switch 6 and a two-stage energy storage device, consisting of inductance 7, storage capacity 1 and current generator 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.In this case, the opening key 6 is installed parallel to the storage capacitance 1, and is structurally located together with the storage capacitance 1, inductance 7 and electrode systems of the main and preliminary discharges inside the vacuum-tight laser head housing 9.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.For the effective operation of the nitrogen laser, it is necessary to apply a voltage pulse with a front in the range of 1-10 ns with an amplitude of 10-50 kV to the electrodes of the main discharge system of the anode 2 and cathode 3.

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.As a result of the application of this pulse, a discharge occurs in the gas gap between the anode 2 and the cathode 3, after which it is necessary to pass a current between the anode 2 and the cathode 3 for 1-10 ns with a peak value of 10-100 kA.

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.To initiate electrical breakdown, UV illumination is applied during surface discharge on the dielectric plate 4, while the same voltage pulse is applied to the dielectric plate 4 as to the anode 2 and cathode 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.First, a surface discharge with ultraviolet light occurs, which illuminates the gap between the anode 2 and cathode 3, then a breakdown occurs and a discharge current of 10-100 kA flows.

Генератор тока 8 обеспечивает форму тока и его амплитуду, оптимальные для работы размыкающего ключа 6.The current generator 8 provides the shape of the current and its amplitude, optimal for operation of the opening switch 6.

При этом происходит нарастание тока через индуктивность 7 и размыкающий ключ 6. Энергия накапливается в индуктивности 7 пропорционально квадрату тока.When this occurs, the current increases through the inductance 7 and the opening switch 6. The energy accumulates in the inductance 7 in proportion to the square of the current.

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.At a point in time when enough energy is accumulated in the inductance 7 for the laser to work, the key 6 is opened and the energy from the inductance 7 is transferred to the storage capacitance 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.At the time of the transition of energy from inductance 7 to storage capacitor 1, the voltage across capacitance 1 and, accordingly, on anode 2 and cathode 3 during a time of 1-10 ns increases to a peak value of 10-50 kV.

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).For the operation of the pump source of the nitrogen laser, it is necessary to have a disconnecting switch 6 with a speed of 1-10 ns, an operating voltage of 10-50 kV and an operating peak current of 10-100 kA. A similar key can be a sharp recovery diode (DRD key).

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.After reaching the maximum voltage value, a discharge occurs on the dielectric plate 4, ultraviolet light shines on the gap, a breakdown occurs between the electrodes and a peak discharge current arises from the storage capacitance 1.

Использование поверхностного разряда на диэлектрической пластине 4 значительно упрощает и удешевляет конструкцию ультрафиолетовой подсветки.The use of surface discharge on the dielectric plate 4 greatly simplifies and cheapens the design of ultraviolet illumination.

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.The use of a laser pump source with a breaker switch 6 ensures the achievement of the necessary combination of parameters: the minimum rise time of the voltage across the electrodes and the maximum discharge current after breakdown. Other system options do not provide such optimization.

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.An additional advantage of the pump source with the isolating key 6 is its high temporal stability, which is better than 0.1 ns. This allows the use of several such circuits in parallel in one laser.

Другие схемы с использованием ключей в виде разрядников или тиратронов не обладают подобной стабильностью и поэтому не могут работать в подобном режиме.Other schemes using keys in the form of arresters or thyratrons do not have such stability and therefore can not work in this mode.

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.Thus, the claimed technical solution allows the construction of inductive high-voltage generators for the formation with high efficiency of high-voltage pulses with fronts of ~ 1-1.5 ns and a duration of several not at an active load of tens of ohms.

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.The impedance of electric-discharge gas lasers excited by nanosecond pulses (lasers at self-limited transitions — N2 and H2 — lasers, excimer lasers) is in the range from tenths of an ohm to several ohms.

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.When a high-voltage pulse is supplied from an inductive generator, the charge of the storage capacitance takes place up to 6-12 ns, depending on the value of the storage capacitance and the number of DRVs.

В нашем случае накопительная емкость служит для уменьшения импеданса разрядной цепи (время заряда превышает длительность фронта индуктивного генератора на резистивную нагрузку).In our case, the storage capacitance serves to reduce the impedance of the discharge circuit (the charge time exceeds the duration of the front of the inductive generator to the resistive load).

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.The high rate of increase in the voltage of the storage capacitance makes it possible to ensure high efficiency of preliminary ionization and overvoltage in the discharge gap, which allows one to obtain the optimal ratio of electric field strength to the pressure of the gas mixture at the time of breakdown of the discharge gap and to ensure the formation of a short high-density current pulse, which allows to increase the efficiency laser.

Claims

1. A gas laser with pre-ionization by ultraviolet radiation, including a housing filled with a working mixture, a resonator, a pump source with electrode systems of the main and preliminary discharges, a storage capacitance, characterized in that the storage capacitance is installed with the possibility of charging for up to 6-12 ns from the inductive a generator containing a disconnect switch mounted parallel to the storage capacitance, and a two-stage energy storage device consisting of an inductance indicated by the storage capacitance and a current generator.

2. The gas laser according to claim 1, characterized in that the disconnecting key, storage capacitance, inductance and electrode systems of the main and preliminary discharges are located inside the vacuum-tight laser head housing.

3. The gas laser according to claim 1, characterized in that a diode with a sharp recovery with a speed of 1-10 ns, an operating voltage of 10-50 kV and a working peak current of 10-100 kA is installed as an opening key.

4. The gas laser according to claim 1, characterized in that the electrode system of the preliminary discharge is formed by a dielectric plate facing the electrodes of the main discharge and a plate of the reverse current lead.