RU1634091C

RU1634091C - Process of pumping of gas flowing laser and gas flowing laser

Info

Publication number: RU1634091C
Authority: RU
Inventors: Б.В. Алехин; В.В. Боровков; Д.И. Зенков; Б.В. Лажинцев; В.А. Нор-Аревян; Г.И. Федоров
Original assignee: Лажинцев Борис Васильевич
Priority date: 1989-03-23
Filing date: 1989-03-23
Publication date: 1994-06-30

Abstract

FIELD: quantum electronics. SUBSTANCE: pumping of active medium through sequence of alternating excitation and cooling zones is organized in gas flowing laser. Start of cooling coincides with finish of excitation and start of excitation coincides with finish of cooling. Space with excitation zone is limited from two sides with electrodes 3 with through ducts for injection, discharge and cooling of flow of active medium. From other sides space is limited with dielectric walls 4. When cooling flow of medium is mixed in direction perpendicular, for instance, to flow created by vanes 9 installed in gas gap 8 between electrodes 3. At inlet to first cooling zone by flow distribution of temperatures is created close to distribution of temperatures at outlet of excitation zone last by flow. Midpart of body of electrode 3 is manufactured in the form of row of plates positioned perpendicular to dielectric walls 4. Spaces with pumped medium are arranged around pumping means of piston type. EFFECT: increased power and diminished divergence of radiation. 7 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в проточных газовых лазерах. The invention relates to quantum electronics and can be used in flowing gas lasers.

Цель изобретения - повышение мощности и уменьшение расходимости излучения лазера. The purpose of the invention is to increase power and reduce the divergence of laser radiation.

На фиг.1 представлена схема проточного газового лазера; на фиг.2 и 3 - два варианта выполнения электродов; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.2. Figure 1 presents a diagram of a flowing gas laser; figure 2 and 3 are two versions of the electrodes; figure 4 is a section aa in figure 2.

Лазер содержит газовый тракт 1 с прокачиваемой средой, включающий зоны возбуждения внутри резонатора 2, ограниченного с двух сторон основными электродами 3 с диэлектрическими стенками 4 с двух других сторон. The laser contains a gas path 1 with a pumped medium, including excitation zones inside the resonator 2, bounded on both sides by main electrodes 3 with dielectric walls 4 on two other sides.

Электроды 3 служат для охлаждения активной среды и образуют зону охлаждения. Прокачка активной среды через чередующиеся зоны возбуждения и охлаждения осуществляется средством прокачки 5. Электроды 3 выполнены со сквозными каналами 6 для впуска, выпуска и охлаждения активной среды. В полости газового тракта между двумя соседними электродами и вблизи электрода, расположенного вниз по потоку, установлен дополнительный электрод 7, пропускающий активную среду, а электроды 3 соседних участков газового тракта разделены газовым промежутком 8. Направление потока газа на фиг.1, 2 и 3 указано стрелкой. В газовом промежутке 8 на всем размере электродов 3 в направлении оси оптического резонатора 2 установлены лопатки 9, отклоняющие поток активной среды в направлении, перпендикулярном диэлектрическим стенкам 4, из средней части потока к периферии и от периферии к средней части. Тело электрода 3 может быть выполнено составным в направлении, перпендикулярном диэлектрическим стенкам, со средней частью в виде пластин 10, установленных перпендикулярно оптической оси резонатора и перекрывающих промежуток между диэлектрическими стенками 4 и двумя основаниями 11, в каждом из которых параллельно оси резонатора 2 выполнено четное число каналов 12 для протекания хладагента в противоположных направлениях. Полости с прокачиваемой средой, образующие зоны возбуждения, расположены вокруг средства прокачки 5 поршневого типа. На входе первой по потоку зоны охлаждения с помощью нагревателя 13 создают распределение температур, совпадающее с усредненным по времени между двумя последовательными импульсами распределением температур на выходе последней по потоку зоны возбуждения. Кроме того, лазер включает источник энергопитания 14 и, как один из вариантов выполнения, искровой источник ионизации 15. Лазер заключен в цилиндрическую оболочку 16. The electrodes 3 serve to cool the active medium and form a cooling zone. The pumping of the active medium through alternating zones of excitation and cooling is carried out by means of pumping 5. The electrodes 3 are made with through channels 6 for inlet, outlet and cooling of the active medium. In the cavity of the gas path between two adjacent electrodes and near the electrode located downstream, an additional electrode 7 is installed that passes the active medium, and the electrodes 3 of adjacent sections of the gas path are separated by a gas gap 8. The direction of the gas flow in FIGS. 1, 2 and 3 is indicated arrow. In the gas gap 8, over the entire size of the electrodes 3 in the direction of the axis of the optical resonator 2, blades 9 are installed, deflecting the active medium flow in the direction perpendicular to the dielectric walls 4, from the middle part of the stream to the periphery and from the periphery to the middle part. The body of the electrode 3 can be made integral in the direction perpendicular to the dielectric walls, with the middle part in the form of plates 10 mounted perpendicular to the optical axis of the resonator and spanning the gap between the dielectric walls 4 and two bases 11, in each of which an even number is made parallel to the axis of the resonator 2 channels 12 for the flow of refrigerant in opposite directions. Cavities with a pumped medium forming excitation zones are located around the piston type pumping means 5. At the inlet of the first downstream cooling zone using a heater 13, a temperature distribution is created that coincides with the temperature distribution averaged over time between two successive pulses at the outlet of the last excitation zone downstream. In addition, the laser includes an energy source 14 and, as one embodiment, a spark ionization source 15. The laser is enclosed in a cylindrical shell 16.

Лазер работает следующим образом. Средством прокачки 5 создается поток активной среды через зоны возбуждения и охлаждения. В зонах возбуждения с помощью источника энергопитания 14 возбуждается электрический разряд между электродами 3. Область газа, захваченная разрядом, нагревается и при своем движении попадает в зону охлаждения - тело электрода 3, где охлаждается. Граница нагретой разрядом области совпадает с поверхностью электрода 3, расположенного вниз по потоку, поэтому сразу же после возбуждения область нагретого газа, проникая в электрод 3, начинает охлаждаться. В тот момент, когда граница нагретой разрядом области, расположенная вверх по потоку, проникает в электрод 3 для охлаждения, можно формировать разряд в зоне возбуждения. Максимальная частота импульсов возбуждения определяется временем затухания акустических возмущений до уровня, позволяющего осуществить устойчивый разряд и получить необходимую расходимость лазерного излучения, а скорость прокачки, исходя из этого, определяется межэлектродным расстоянием и временем между импульсами возбуждения. The laser operates as follows. The pumping means 5 creates an active medium flow through the excitation and cooling zones. In the excitation zones, an electric discharge between the electrodes 3 is excited using the power supply 14. The gas region captured by the discharge heats up and enters the cooling zone as it moves — the body of electrode 3, where it is cooled. The boundary of the region heated by the discharge coincides with the surface of the electrode 3 located downstream, therefore, immediately after the excitation, the region of the heated gas, penetrating into the electrode 3, begins to cool. At the moment when the boundary of the region heated by the discharge, located upstream, penetrates the electrode 3 for cooling, it is possible to form a discharge in the excitation zone. The maximum frequency of the excitation pulses is determined by the decay time of acoustic disturbances to a level that allows for a stable discharge and the necessary divergence of laser radiation, and the pumping rate, based on this, is determined by the interelectrode distance and time between the excitation pulses.

Поток газа при своем движении мимо установленных в промежутке 8 лопаток 9 перемешивается в направлении, перпендикулярном направлению потока. При этом наиболее нагретые слои газа в середине потока между диэлектрическими стенками 4 перемешиваются с наименее нагретыми ближайшими к стенкам 4 слоями. Такое перемешивание выравнивает температуру потока в поперечном направлении и позволяет получить более однородное распределение плотности газа в зоне возбуждения, что уменьшает расходимость излучения и повышает устойчивость разряда. The gas flow during its movement past the blades 9 installed in the gap 8 is mixed in the direction perpendicular to the flow direction. In this case, the most heated gas layers in the middle of the flow between the dielectric walls 4 are mixed with the least heated layers closest to the walls 4. Such mixing equalizes the flow temperature in the transverse direction and allows a more uniform distribution of gas density in the excitation zone to be obtained, which reduces the divergence of radiation and increases the stability of the discharge.

При движении активной среды через чередующиеся зоны возбуждения и охлаждения ее температура на выходе из зоны охлаждения плавно повышается от первой к последней зонам охлаждения. После начала работы лазера растет температура и на выходе каждой зоны охлаждения. С течением времени этот рост температуры на выходе всех зон охлаждения прекращается, но разница в температурах на выходе части зон охлаждения сохраняется. Это вызывает различные условия для формирования расходимости и устойчивости разряда в различных зонах возбуждения. Создание с помощью нагревателя 13 на входе первой зоны охлаждения распределения температуры, совпадающего с усредненным по времени между двумя последовательными импульсами распределением температуры на выходе последней зоны возбуждения, позволяет до минимума свести интервал времени по стабилизации температуры в каждой зоне возбуждения и получить одинаковую температуру и ее распределение по всем выходам зон охлаждения, а следовательно, по зонам возбуждения. В этом случае создаются одинаковые условия для формирования малой расходимости и устойчивости разряда во всех зонах возбуждения. При повышении средней температуры активной среды появляется возможность увеличить эффективность охлаждения на электродах 3, а следовательно, оптимизировать конструкцию электродов с точки зрения размеров элементов, падения давления на них и распределения плотности газа на выходе из электрода. When the active medium moves through alternating zones of excitation and cooling, its temperature at the exit from the cooling zone gradually rises from the first to the last cooling zone. After the start of the laser, the temperature rises at the outlet of each cooling zone. Over time, this increase in temperature at the outlet of all cooling zones ceases, but the difference in temperature at the outlet of part of the cooling zones remains. This causes various conditions for the formation of divergence and discharge stability in various excitation zones. Creating with the heater 13 at the inlet of the first cooling zone a temperature distribution that coincides with the temperature distribution averaged over two successive pulses at the output of the last excitation zone allows minimizing the time interval for stabilizing the temperature in each excitation zone and obtaining the same temperature and its distribution on all outputs of the cooling zones, and therefore on the excitation zones. In this case, the same conditions are created for the formation of small divergence and discharge stability in all excitation zones. With an increase in the average temperature of the active medium, it becomes possible to increase the cooling efficiency at the electrodes 3 and, therefore, to optimize the design of the electrodes in terms of cell sizes, pressure drops on them and the distribution of gas density at the electrode outlet.

После разряда и окончания импульса излучения нагретый газ охлаждается в электроде, по пластинам 10 которого поток тепла распространяется в основание 11 и уносится хладагентом, протекающим по каналам 12. Выполнение основных электродов с профилированными рабочими поверхностями так, что протяженность газовых каналов в них максимальна в плоскости, проходящей через ось резонатора и параллельной направлению потока газа, приводит к тому, что температура газа минимальна, а плотность газа максимальна на оси резонатора, т. е. в зоне возбуждения формируется фокусирующая газовая линза. За счет этого уменьшается расходимость и повышается мощность излучения лазера. After the discharge and the end of the radiation pulse, the heated gas is cooled in the electrode, through the plates 10 of which the heat flux propagates to the base 11 and is carried away by the refrigerant flowing through the channels 12. The main electrodes with profiled working surfaces are made so that the length of the gas channels in them is maximum in the plane passing through the axis of the resonator and parallel to the direction of the gas flow, leads to the fact that the gas temperature is minimum and the gas density is maximum on the axis of the resonator, i.e., in the zone of excitation of the forms focusing gas lens is focused. Due to this, the divergence decreases and the laser radiation power increases.

Claims

1. The method of pumping a flowing gas laser, including pumping gas perpendicular to the axis of the optical resonator and sequential excitation and cooling of the gas, characterized in that, in order to increase power and reduce the divergence of radiation, pumping is carried out through gas excitation and cooling zones adjacent to each other, moreover, the cooling zone is located first downstream, and the gas is cooled so that the gas temperature after cooling is minimal in a plane parallel to the direction of flow and going through the axis of the resonator.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the cooling zone of the gas stream is mixed in a direction perpendicular to the direction of the gas stream.

3. The method according to p. 1, characterized in that at the entrance to the first downstream cooling zone in a gas stream, a temperature distribution is created that coincides with the time-average temperature distribution at the outlet of the last excitation zone in the stream.

4. A flowing gas laser containing a gas path, an optical resonator, which is perpendicular to the direction of flow and passes through at least one portion of the gas path, the main electrodes are located above and below the flow, characterized in that, in order to increase power and reduce radiation divergences, the main electrodes are made cooled and installed in the gas path by working surfaces transverse to the flow direction, through electrodes are made through channels oriented in the flow direction and gas, while the working surfaces of the main electrodes are profiled so that the length of the channels in them is maximum in a plane passing through the axis of the resonator parallel to the direction of gas flow.

5. The laser according to claim 4, characterized in that in front of the working surfaces of the main electrodes oriented towards the direction of the gas flow, additional gas-permeable electrodes are installed.

6. The laser according to claim 4, characterized in that the main electrodes are made in the form of a set of plates mounted perpendicular to the axis of the resonator between two bases having channels for the flow of refrigerant.