RU2031503C1

RU2031503C1 - Metal vapor laser

Info

Publication number: RU2031503C1
Authority: RU
Inventors: А.В. Луговской; И.И. Муравьев; А.Н. Солдатов
Original assignee: Томский государственный университет им.В.В.Куйбышева
Priority date: 1990-12-07
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1995-03-20

Abstract

FIELD: pulse light sources. SUBSTANCE: conductive spiral 3 produced from working substance is positioned between two coaxial dielectric tubes. Each turn of spiral is cut into n equal parts placed at distance from each other necessary for emergence of spark discharge between them. Internal dielectric tube 7 has holes 9 arranged opposite to spark discharge gaps and electrodes located on its butts. EFFECT: expanded application field. 1 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке источников света на парах металлов, в частности лазеров на самоограниченных переходах. The invention relates to quantum electronics and can be used in the development of light sources on metal vapors, in particular lasers on self-limited transitions.

Известны конструкции лазеров, в которых для получения генерации достаточная концентрация атомов рабочего металла достигается после его разогрева до жидкой фазы в специальной печи либо путем саморазогрева в разряде [1]. There are known laser designs in which, to obtain generation, a sufficient concentration of working metal atoms is achieved after it is heated to the liquid phase in a special furnace or by self-heating in a discharge [1].

Область применения таких лазеров ограничена набором металлов, для которых необходимая упругость паров достигается при температуре не выше 1700^оС. Для получения генерации в парах тугоплавких металлов используется метод импульсного испарения металла с поверхности при инициировании искрового разряда через линейную последовательность зазоров между пластинками рабочего металла.Scope of these lasers is limited set of metals for which the required vapor pressure is achieved at a temperature above 1700 ^C. For the generation of a vapor of refractory metal is used the method of pulsed metal evaporation from the surface at the initiation of the spark discharge through the linear sequence of gaps between metal plates of the working.

Конструктивно газоразрядная трубка состоит из стеклянной трубки, заполненной буферным газом, кварцевой подложки, вдоль которой в ряд одна за другой с небольшим зазором расположены пластинки из рабочего металла, рабочих электродов и выходных окон. При подаче на рабочие электроды высоковольтного сильноточного импульса в каждом зазоре инициируется искровой разряд и образуется плазма паров металла: атомы исходного материала испаряются с поверхности катода, возбуждаются и ионизируются, расширяясь в объеме в буферный газ. Этот источник может быть использован для получения плазмы практически любых металлов, в том числе тугоплавких, для которых непригодны традиционные способы получения паров путем термического нагрева. Structurally, the gas discharge tube consists of a glass tube filled with buffer gas, a quartz substrate along which, one after the other, with a small gap, plates of working metal, working electrodes and exit windows are located. When a high-voltage high-current pulse is applied to the working electrodes, a spark discharge is initiated in each gap and a plasma of metal vapor is formed: the atoms of the starting material evaporate from the cathode surface, are excited and ionized, expanding into a buffer gas. This source can be used to produce plasma of almost any metal, including refractory metals, for which traditional methods of producing vapors by thermal heating are unsuitable.

Недостатком такой газоразрядной трубки является неоднородное по объему распределение атомов металла в разряде, что ухудшает генерационные характеристики лазера. The disadvantage of such a gas discharge tube is the distribution of metal atoms in the discharge that is inhomogeneous in volume, which affects the lasing characteristics of the laser.

Наибольшая концентрация атомов металла достигается в зазорах между пластинками. По мере расширения плазменного сгустка концентрация атомов убывает. Кроме того, в местах перекрытия плазменных сгустков концентрация несколько выше. The highest concentration of metal atoms is achieved in the gaps between the plates. As the plasma bunch expands, the concentration of atoms decreases. In addition, in places where plasma clots overlap, the concentration is slightly higher.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является газоразрядная трубка лазера на парах металлов [2], содержащая газоразрядную камеру с выходными окнами на торцах и рабочим веществом, теплоизолятор, рабочие электроды и нагревательный элемент, выполненный в виде одного накального распределенного электрода, расположенного внутри газоразрядной камеры по всей ее длине, концы которого через высоковольтные вводы подключены одновременно к источнику высокого импульсного напряжения и к источнику накала. При этом распределенный электрод выполнен в виде спирали, внутренняя часть которой является газоразрядным каналом. Такая газоразрядная трубка позволяет получить однородное распределение параметров плазмы по объему. Closest to the invention in technical essence is a gas-vapor laser tube [2], containing a gas-discharge chamber with exit windows at the ends and a working substance, a heat insulator, working electrodes and a heating element made in the form of a single distributed electrode located inside the gas-discharge chamber along its entire length, the ends of which through high-voltage bushings are connected simultaneously to a source of high pulse voltage and to a glow source. In this case, the distributed electrode is made in the form of a spiral, the inner part of which is a gas discharge channel. Such a gas discharge tube makes it possible to obtain a uniform distribution of plasma parameters over the volume.

Недостатком данной газоразрядной трубки является ограничение эксплуатационных возможностей горизонтальным положением вследствие наличия в канале жидкого металла. Кроме того, лазер инерционен вследствие необходимости затрат энергии и определенного времени для разогрева металла до рабочей температуры. The disadvantage of this gas discharge tube is the limitation of operational capabilities to a horizontal position due to the presence of liquid metal in the channel. In addition, the laser is inertial due to the need for energy and a certain time for heating the metal to operating temperature.

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей лазера за счет произвольной пространственной ориентации и ускоренный выход на рабочий режим. The aim of the invention is to expand the operational capabilities of the laser due to arbitrary spatial orientation and accelerated exit to the operating mode.

Цель достигается тем, что в лазер на парах металлов, содержащий газоразрядную трубку с рабочими электродами и электропроводной спиралью, расположенной внутри разрядной трубки по всей ее длине коаксиально с ней и выполненной из рабочего вещества, высоковольтный источник импульсного напряжения, соединенный с концами спирали, введены дополнительный высоковольтный источник импульсного напряжения и две коаксиально расположенные диэлектрические трубки, при этом электропроводная спираль закреплена между диэлектрическими трубками и выполнена так, что каждый виток образован из не менее двух равных по величине отрезков, расположенных друг от друга с зазором, образующим искровой разрядный промежуток, внутренняя диэлектрическая трубка выполнена с отверстиями, расположенными напротив искровых разрядных промежутков, разрядные электроды размещены на торцах внутренней диэлектрической трубки и соединены с дополнительным высоковольтным источником импульсного напряжения. The goal is achieved in that in a metal vapor laser containing a gas discharge tube with working electrodes and an electrically conductive helix located inside the discharge tube along its entire length coaxially with it and made of working substance, an additional high-voltage pulse voltage source connected to the ends of the helix is introduced a high voltage pulse voltage source and two coaxially located dielectric tubes, while an electrically conductive spiral is fixed between the dielectric tubes and so that each coil is formed of at least two equal-sized segments spaced from each other with a gap forming a spark gap, the inner dielectric tube is made with holes located opposite the spark gap, the discharge electrodes are placed on the ends of the inner dielectric tube and connected to an additional high voltage pulse voltage source.

На чертеже изображен лазер на парах металлов, общий вид. The drawing shows a metal vapor laser, General view.

Газоразрядная трубка лазера на парах металлов содержит вакуумноплотную камеру 1 с буферным газом и выходными окнами 2 на торцах, внутри которой по всей ее длине расположена спираль 3 из рабочего металла, внутренняя часть которой является газоразрядным каналом. Концы спирали 3 через высоковольтные вводы 4 подключены к источнику 5 высокого напряжения. Каждый виток спирали 3 состоит из n ≥2 равных отрезков, расположенных друг от друга с зазором 6, необходимым для возникновения искрового разряда между ними. Шаг спирали 3 задается из расчета обеспечения однородности плазмы паров металла внутри газоразрядного канала. Спираль 3 установлена между двумя коаксиально расположенными диэлектрическими трубками 7, 8, при этом во внутренней трубке 7 выполнены отверстия 9 напротив зазоров 6 спирали 3. Рабочие электроды 10 подключены через высоковольтные вводы 11 к источнику 12 высокого короткоимпульсного напряжения с регулируемой задержкой во времени относительно импульса искрового разряда. A gas-vapor laser tube contains a vacuum-tight chamber 1 with buffer gas and exit windows 2 at the ends, inside of which a working metal spiral 3 is located along its entire length, the inside of which is a gas-discharge channel. The ends of the spiral 3 through high-voltage inputs 4 are connected to a source 5 of high voltage. Each coil of spiral 3 consists of n ≥ 2 equal segments located from each other with a gap of 6 necessary for the occurrence of a spark discharge between them. Spiral pitch 3 is set on the basis of calculating the uniformity of the plasma of the metal vapor inside the gas discharge channel. A spiral 3 is installed between two coaxially located dielectric tubes 7, 8, while holes 9 are made in the inner tube 7 opposite the gaps 6 of the spiral 3. The working electrodes 10 are connected through high-voltage bushings 11 to a source 12 of high short-pulse voltage with an adjustable time delay relative to the spark pulse discharge.

Высоковольтные источники 5 и 12 импульсного напряжения выполнены из высоковольтного выпрямителя, модулятора на тиратроне ТГИ1-100/8 и коммутирующего элемента - водородного тиратрона ТГИ1-1000/25. High voltage sources 5 and 12 of the pulse voltage are made of a high voltage rectifier, a modulator on the thyratron TGI1-100 / 8 and a switching element - a hydrogen thyratron TGI1-1000 / 25.

Работает газоразрядная трубка следующим образом. The gas discharge tube operates as follows.

При подаче на электрические вводы 4, соединенные с концом спирали 3, расположенной между двумя коаксиальными диэлектрическими трубками 7, 8, высоковольтного сильноточного импульса в зазорах 6 между отрезками спирали инициируется искровой разряд, вследствие чего формируется плотная плазма паров металла, которая распространяется через отверстия 9 во внутренней трубке 7 в газоразрядный канал. Размеры зазоров 6 определяются условиями возникновения искрового пробоя в инертном газе между отрезками спирали. When applying to the electrical inputs 4 connected to the end of the spiral 3, located between two coaxial dielectric tubes 7, 8, a high-voltage high-current pulse in the gaps 6 between the segments of the spiral, a spark discharge is initiated, as a result of which a dense plasma of metal vapor is formed, which propagates through the holes 9 in the inner tube 7 into the gas discharge channel. The dimensions of the gaps 6 are determined by the conditions for the occurrence of spark breakdown in an inert gas between the segments of the spiral.

Для возбуждения атомов металла в газоразрядном канале, образовавшихся при искровом разряде, на рабочие электроды 10 через высоковольтные вводы 11 подается короткий высоковольтный импульс с источника 12 напряжения, вследствие чего возникает однородный газовый разряд по всей длине газоразрядного канала. Излучение выводится через выходные окна 2 на торцах газоразрядной камеры 1. To excite metal atoms in the gas discharge channel formed during the spark discharge, a short high voltage pulse from the voltage source 12 is supplied to the working electrodes 10 through the high voltage bushings 11, as a result of which a uniform gas discharge occurs along the entire length of the gas discharge channel. The radiation is output through the output windows 2 at the ends of the gas discharge chamber 1.

Изготовлен и испытан образец предлагаемой газоразрядной трубки лазера на парах меди. Газоразрядная камера выполнена из стеклянной герметичной трубки диаметром 35 мм и длиной 350 мм и наполнена чистым гелием до давления 150 мм рт.ст. Спираль выполнена из медной проволоки диаметром 1,5 мм и содержит 37 равных отрезков, которые образуют 36 разрядных промежутков с зазором 1 мм. Шаг спирали составляет 10 мм. Отрезки спирали закреплены между двумя кварцевыми трубками (схема крепления не принципиальна). Диаметр внешней трубки составляет 15 мм, внутренней трубки - 13 мм. Диаметр отверстий на внутренней кварцевой трубке равен 2 мм. A sample of the proposed gas discharge tube of a copper vapor laser was manufactured and tested. The gas discharge chamber is made of a glass sealed tube with a diameter of 35 mm and a length of 350 mm and filled with pure helium up to a pressure of 150 mm Hg. The spiral is made of copper wire with a diameter of 1.5 mm and contains 37 equal segments, which form 36 discharge gaps with a gap of 1 mm. The pitch of the spiral is 10 mm. The spiral segments are fixed between two quartz tubes (the mounting scheme is not essential). The diameter of the outer tube is 15 mm, the inner tube is 13 mm. The diameter of the holes on the inner quartz tube is 2 mm.

При прохождении первого импульса тока длительностью 1-2 мкс в зазорах между отрезками спирали формировались искровые разряды с образованием плазмы паров меди. Размеры факелов разлетающейся плазмы 10 мм. Объемный разряд вдоль газоразрядной трубки создавался при прохождении между крайними электродами короткого импульса тока длительностью 200-300 нс, который следует через несколько микросекунд после первого сильноточного импульса тока. Излучение плазмы регистрировалось спектральным прибором с ФЭУ и осциллографом. During the passage of the first current pulse with a duration of 1-2 μs, spark discharges were formed in the gaps between the spiral segments with the formation of a copper vapor plasma. The size of the flames of the scattering plasma is 10 mm. A volume discharge along the gas discharge tube was created when a short current pulse lasting 200-300 ns passed between the extreme electrodes, which followed a few microseconds after the first high-current current pulse. Plasma radiation was recorded with a photomultiplier and an oscilloscope.

Предлагаемая газоразрядная трубка лазера на парах металлов обладает по сравнению с известными расширенными эксплуатационными возможностями, возможностью работы в любом положении с быстрым выходом на рабочий режим одновременно с однородным распределением параметров импульсной плазмы паров металла в объеме газоразрядного канала. The proposed gas-discharge tube of a metal vapor laser has, in comparison with the well-known expanded operational capabilities, the ability to work in any position with a quick exit to the operating mode simultaneously with a uniform distribution of the parameters of the pulsed plasma of the metal vapor in the volume of the gas-discharge channel.

Claims

METAL PAIR LASER containing a discharge tube with working electrodes and an electrode coil located in the discharge tube along its entire length coaxially with it and made of a working substance, the main high-voltage source of pulse voltage connected to the ends of the spiral, characterized in that, for the purpose of expanding operational capabilities by providing arbitrary spatial orientation and accelerated access to the operating mode, an additional high-voltage source of pulse voltage is introduced into the laser lines and two coaxial dielectric tubes, an electrically conductive spiral is fixed between the dielectric tubes and is made so that each coil is formed of at least two equal lengths of segments spaced from each other with a gap forming a spark gap, the inner dielectric tube is made with holes located opposite to the spark discharge gaps, while the working electrodes are placed on the ends of the inner dielectric tube and connected to an additional high-voltage source and pulsed voltage.