RU2089983C1

RU2089983C1 - Gas laser

Info

Publication number: RU2089983C1
Application number: RU94014723A
Authority: RU
Inventors: А.И. Дутов; А.А. Кулешов; В.Н. Соколов
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа Научно-производственное предприятие "Билор"
Priority date: 1994-04-20
Filing date: 1994-04-20
Publication date: 1997-09-10

Abstract

FIELD: gas lasers using capacitive excitation of active medium. SUBSTANCE: gas laser has two planar electrodes forming rectangular spark gap. One of electrodes is connected to output stage of high-frequency oscillator and other electrode is grounded. Electrodes are combined with vacuum chamber walls. Electrode connected to output stage of high-frequency oscillator carries panel mounting output stage components of high-frequency oscillator. Matching device connecting electrode to output stage of high-frequency oscillator is made as strip waveguide line that comes in contact with electrode through its entire length and goes around output stage components of high-frequency oscillator. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к лазерам, т.е.к квантовым устройствам для генерирования стимулированного излучения, в частности к газовым лазерам, а более точно к газовым лазерам с использованием емкостного возбуждения активной среды. The invention relates to lasers, i.e. to quantum devices for generating stimulated radiation, in particular to gas lasers, and more specifically to gas lasers using capacitive excitation of an active medium.

В известных газовых лазерах с использованием емкостного возбуждения от высокочастотного генератора в качестве устройства для согласования импеданса разряда с волновым сопротивлением кабеля, идущего от высокочастотного генератора к лазерной головку,обычно используется набор регулируемых дискретных элементов индуктивностей и емкостей. Следствием использования кабеля для передачи высокочастотной мощности являются значительные потери мощности при передаче ее от высокочастотного генератора к лазерной головке [1]
Кроме того, в известном лазере электроды расположены друг от друга на значительном расстоянии, что требует повышенного высокочастотного напряжения на электродах, а также приводит к перегреву активной среды лазера.In known gas lasers using capacitive excitation from a high-frequency generator as a device for matching the impedance of a discharge with the wave impedance of a cable going from a high-frequency generator to a laser head, a set of adjustable discrete inductance elements and capacitors is usually used. The consequence of using a cable to transmit high-frequency power is significant power loss when transmitting it from a high-frequency generator to a laser head [1]
In addition, in the known laser, the electrodes are located at a considerable distance from each other, which requires an increased high-frequency voltage at the electrodes, and also leads to overheating of the active medium of the laser.

Вкладываемая мощность в лазере такой конструкции ограничена нагревом активной среды, что в свою очередь ограничивает мощность, излучаемую лазером, и ухудшает расходимость излучения. The input power in a laser of this design is limited by heating the active medium, which in turn limits the power emitted by the laser and impairs the divergence of the radiation.

Более высокими эксплуатационными характеристиками обладают лазеры с плоскими электродами, расстояние между которыми составляет обычно ≈ 1,5-3 мм [2]
Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является конструкция лазера, включающего два плоских электрода, образующих разрядный промежуток прямоугольного сечения, при этом один электрод соединен с выходным каскадом высокочастотного генератора с помощью согласующего устройства, а второй электрод заземлен [3]
В известном устройстве [3] высокочастотный генератор также расположен отдельно от лазерной головки и соединен с ней с помощью кабеля и набора регулируемых индуктивностей и емкостей, при этом потери на передающем кабеле требуют увеличения мощности высокочастотного генератора, а также оказывают вредное влияние на персонал.Lasers with flat electrodes, the distance between which is usually ≈ 1.5-3 mm, have higher operational characteristics [2]
Closest to the proposed design is the laser design, which includes two flat electrodes forming a discharge gap of a rectangular cross section, with one electrode connected to the output stage of the high-frequency generator using a matching device, and the second electrode is grounded [3]
In the known device [3], the high-frequency generator is also located separately from the laser head and connected to it with a cable and a set of adjustable inductances and capacitors, while the losses on the transmission cable require an increase in the power of the high-frequency generator, and also have a harmful effect on personnel.

Кроме того, в известном устройстве выходной каскад высокочастотного генератора соединен с помощью согласующего устройства с центральной частью электрода через высокочастотный разъем. Плоские электроды имеют удлиненную форму (длина 400-700 мм, ширина 30-70 мм), и при подаче высокочастотного напряжения на середину электрода, соединенного с выходным каскадом высокочастотного генератора, возникает неравномерное распределение высокочастотного поля вдоль электрода, связанное с тем, что расстояние от точки включения до конца электрода имеет один порядок величины с четвертой частью длины волны поля накачки. Вследствие этого вклад мощности по длине разрядного промежутка неоднороден, что ухудшает пространственно-энергетические характеристики лазера, в частности его мощность и расходимость излучения. Поэтому в известных устройствах используются дополнительные элементы индуктивности, которые располагаются по периметру электродов для выравнивания вклада мощности по сечению и длине разрядного промежутка. In addition, in the known device, the output stage of the high-frequency generator is connected via a matching device to the central part of the electrode via a high-frequency connector. Flat electrodes have an elongated shape (length 400-700 mm, width 30-70 mm), and when a high-frequency voltage is applied to the middle of the electrode connected to the output stage of the high-frequency generator, an uneven distribution of the high-frequency field along the electrode arises, due to the fact that the distance from the switching point to the end of the electrode is of the same order of magnitude as a quarter of the wavelength of the pump field. As a result of this, the contribution of power along the length of the discharge gap is inhomogeneous, which degrades the spatial and energy characteristics of the laser, in particular, its power and radiation divergence. Therefore, in the known devices additional inductance elements are used, which are located along the perimeter of the electrodes to equalize the power contribution over the cross section and the length of the discharge gap.

Следует также отметить, что, поскольку во всех известных лазерах выходной каскад высокочастотного генератора расположен отдельно от лазерной головки, требуются дополнительные меры для защиты обслуживающего персонала от радиочастотных полей. Тем не менее, известные приемы экранировки эффективны только в том случае, когда персонал находится на значительном расстоянии от кабеля. It should also be noted that, since in all known lasers the output stage of the high-frequency generator is located separately from the laser head, additional measures are required to protect staff from radio-frequency fields. However, well-known shielding techniques are effective only when personnel are at a considerable distance from the cable.

Задачей изобретения является улучшение пространственно-энергетических характеристик лазера, повышение его эффективности и безопасности его эксплуатации. The objective of the invention is to improve the spatial and energy characteristics of the laser, increasing its efficiency and the safety of its operation.

Для решения поставленной задачи в газовом лазере, включающем два плоских электрода, образующих разрядный промежуток прямоугольного сечения, один электрод соединен с выходным каскадом высокочастотного генератора с помощью согласующего устройства, а второй электрод заземлен; совмещены со стенками вакуумной камеры, а согласующее устройство выполнено в виде полосковой волноводной линии, контактирующей с электродом по всей его длине и огибающей элементы выходного каскада высокочастотного генератора, смонтированные на панели, установленной на электроде, соединенном с выходным каскадом высокочастотного генератора. To solve the problem in a gas laser, including two flat electrodes forming a discharge gap of rectangular cross section, one electrode is connected to the output stage of a high-frequency generator using a matching device, and the second electrode is grounded; are aligned with the walls of the vacuum chamber, and the matching device is made in the form of a strip waveguide line in contact with the electrode along its entire length and enveloping the elements of the output stage of the high-frequency generator mounted on a panel mounted on the electrode connected to the output stage of the high-frequency generator.

В предлагаемом устройстве электроды одновременно являются и стенками вакуумной камеры. Такая конструкция позволяет снизить нежелательную емкость электродов на конструктивных элементах головки лазера, что в свою очередь обеспечивает уменьшение напряжения поджига газового разряда, снижает потери мощности высокочастотного генератора и значительно уменьшает всплеск высокочастотной мощности,излучаемой системой в момент включения, т.е. повышает безопасность эксплуатации лазера. In the proposed device, the electrodes are simultaneously the walls of the vacuum chamber. This design allows to reduce the undesirable capacitance of the electrodes on the structural elements of the laser head, which in turn provides a reduction in the ignition voltage of the gas discharge, reduces the power loss of the high-frequency generator and significantly reduces the burst of high-frequency power radiated by the system at the time of switching on, i.e. improves laser safety.

Выполнение согласующего устройства в виде полосковой волноводной линии обеспечивает возможность сосредоточить необходимые для согласования импеданса разряда индуктивности и емкости в одном устройстве в виде набора диэлектрических и металлических слоев, т.е. значительно снизить потери мощности при передаче ее от высокочастотного генератора к лазерной головке. Центральный металлический слой является высокочастотным, а два внешних металлических слоя являются заземленными электродами. Параметры полосковой полноводной линии выбираются в соответствии с импедансом разрядного промежутка. Для подстройки согласования полосковой волноводной линии с разрядным промежутком используется перемещение диэлектрической пластины между металлическими электродами, изменяющее емкость линии. Такой способ настройки значительно проще, чем настройка согласующих устройств известных ранее конструкций. The implementation of the matching device in the form of a strip waveguide line provides the ability to concentrate the inductance and capacitance required for matching the impedance of the discharge in one device in the form of a set of dielectric and metal layers, i.e. significantly reduce power loss when transferring it from a high-frequency generator to a laser head. The central metal layer is high frequency, and the two outer metal layers are grounded electrodes. The parameters of the strip full-flow line are selected in accordance with the impedance of the discharge gap. To adjust the matching of the strip waveguide line with the discharge gap, the movement of the dielectric plate between the metal electrodes is used, which changes the line capacitance. This configuration method is much simpler than tuning matching devices of previously known designs.

Кроме перечисленных выше преимуществ, применение полосковой волноводной линии целесообразно еще и потому, что она может принимать заданную пространственную конфигурацию. В предлагаемом устройстве они огибает элементы выходного каскада высокочастотного генератора, то есть является одновременно согласующим устройством и экраном для выходного каскада высокочастотного генератора. In addition to the advantages listed above, the use of a strip waveguide line is also advisable because it can take a given spatial configuration. In the proposed device, they envelope the elements of the output stage of the high-frequency generator, that is, it is both a matching device and a screen for the output stage of the high-frequency generator.

Элементы выходного каскада высокочастотного генератора смонтированы на панели, установленной на электроде, соединенном с выходным каскадом высокочастотного генератора. Такое конструктивное выполнение расположения элементов выходного каскада высокочастотного генератора позволяет отказаться от кабеля, то есть позволяет снизить потери высокочастотной энергии при передаче ее от генератора к лазерной головке и повысить безопасность эксплуатации лазера, исключив при этом необходимость применения дополнительных мер защиты от радиочастотных полей. Elements of the output stage of the high-frequency generator are mounted on a panel mounted on an electrode connected to the output stage of the high-frequency generator. Such a constructive arrangement of the elements of the output stage of the high-frequency generator allows you to abandon the cable, that is, it allows to reduce the loss of high-frequency energy when transferring it from the generator to the laser head and to increase the safety of laser operation, eliminating the need for additional measures of protection from radio-frequency fields.

Согласующее устройство, выполненное в виде полосковой волноводной линии, контактирует с электродом по всей его длине. Благодаря такому контакту вклад мощности по всей площади электрода однороден, что позволяет избежать образования оптических неоднородностей в газовом разряде, которые приводят к снижению мощности генерации и ухудшению расходимости излучения из-за рассеяния на этих неоднородностях, а также исключает необходимость использования дополнительных элементов индуктивностей и емкостей, которые располагаются по периметру электродов для выравнивания вклада мощности по сечению и длине разрядного промежутка. The matching device, made in the form of a strip waveguide line, is in contact with the electrode along its entire length. Due to this contact, the power contribution is uniform over the entire electrode area, which avoids the formation of optical inhomogeneities in a gas discharge, which lead to a decrease in the generation power and a decrease in the divergence of radiation due to scattering on these inhomogeneities, and also eliminates the need to use additional elements of inductances and capacitors, which are located along the perimeter of the electrodes to equalize the power contribution over the cross section and the length of the discharge gap.

Такое исполнение и подключение согласующего устройства позволяет создать в разрядном промежутке прямоугольного поперечного сечения поле однородное по двум координатам с минимальными потерями на высокочастотное излучение и рассеяние. Это обеспечит высокую эффективность работы устройства и безопасность его эксплуатации. This design and connection of the matching device allows you to create a field homogeneous in two coordinates in the discharge gap of a rectangular cross section with minimal loss of high-frequency radiation and scattering. This will ensure high efficiency of the device and the safety of its operation.

В целом поставленная задача решается путем рационального выполнения элементов газового лазера и оригинальной их компоновке, обеспечивающей высокую компактность устройства. Именно такая компоновка создает возможность использования согласующего устройства, выполненного в виде полосковой волноводной линии одновременно:
для передачи высокочастотного сигнала от выходного каскада высокочастотного генератора с минимальными потерями мощности;
в качестве экрана для выходного каскада высокочастотного генератора;
для обеспечения возможности контакта согласующего устройства с электродом по всей его длине.In general, the task is solved by rational execution of the elements of the gas laser and their original layout, providing high compactness of the device. It is this arrangement that makes it possible to use a matching device made in the form of a strip waveguide line at the same time:
for transmitting a high-frequency signal from the output stage of a high-frequency generator with minimal power loss;
as a screen for the output stage of a high-frequency generator;
to enable contact matching device with the electrode along its entire length.

На фиг. 1 показан газовый лазер, поперечное сечение; на фиг. 2 - структура согласующего устройства (полосковой волноводной линии). In FIG. 1 shows a gas laser, cross section; in FIG. 2 - structure of a matching device (strip waveguide line).

На фиг. 1 не показаны зеркала (они находятся в плоскости чертежа). In FIG. 1, mirrors are not shown (they are in the plane of the drawing).

Газовый лазер содержит заземленный электрод 1, электрод 2, соединенный с выходным каскадом высокочастотного генератора 3, элементы которого смонтированы на панели 4, установленной на электроде. Электроды образуют разрядный промежуток 5 прямоугольного поперечного сечения. Выходной каскад высокочастотного генератора соединен с электродом через контактный узел 6, длина которого равна длине электрода, с помощью согласующего устройства 7, выполненного в виде полосковой волноводной линии, которая сужается в направлении узла 8 соединения с выходным каскадом высокочастотного генератора. Электроды снабжены каналами охлаждения 9 и вместе с выходным каскадом высокочастотного генератора помещены в кожух 10, соединенный с заземленным электродом. Расстояние между электродами фиксируется с помощью керамических вкладышей 11, вакуумно-плотно соединенных с электродами. The gas laser contains a grounded electrode 1, electrode 2, connected to the output stage of the high-frequency generator 3, the elements of which are mounted on a panel 4 mounted on the electrode. The electrodes form a discharge gap 5 of a rectangular cross section. The output stage of the high-frequency generator is connected to the electrode through the contact node 6, the length of which is equal to the length of the electrode, using the matching device 7, made in the form of a strip waveguide line, which tapers in the direction of the node 8 connected to the output stage of the high-frequency generator. The electrodes are equipped with cooling channels 9 and together with the output stage of the high-frequency generator are placed in a casing 10 connected to a grounded electrode. The distance between the electrodes is fixed using ceramic inserts 11, vacuum-tightly connected to the electrodes.

Согласующее устройство содержит высокочастотный электрод 12 и заземленные электроды 13 и 14. Высокочастотный электрод и заземленные электроды разделены диэлектрическими прокладками (вкладышами) 15 и 16. The matching device contains a high-frequency electrode 12 and grounded electrodes 13 and 14. The high-frequency electrode and grounded electrodes are separated by dielectric spacers (inserts) 15 and 16.

Высокочастотный электрод 12 согласующего устройства 7 имеет фиксированную толщину (например, 1 мм) и переменное сечение, расширяясь от контактного узла 8 в направлении узла 6. The high-frequency electrode 12 of the matching device 7 has a fixed thickness (for example, 1 mm) and a variable cross section, expanding from the contact node 8 in the direction of the node 6.

Диэлектрические слои 15 и 16 также имеют фиксированную толщину (например 1-2 мм), образуя необходимую электрическую емкость. Заземленные электроды 13 и 14 имеют ширину, равную длине электрода 2, соединенного с выходным каскадом высокочастотного генератора. Электрод 13 является кожухом всего выходного каскада высокочастотного генератора, элементы которого смонтированы на панели 4, закрепленной на электроде 2. Электрод 14 обращен своей наружной поверхностью к элементам выходного каскада высокочастотного генератора. The dielectric layers 15 and 16 also have a fixed thickness (for example 1-2 mm), forming the necessary electrical capacitance. The grounded electrodes 13 and 14 have a width equal to the length of the electrode 2 connected to the output stage of the high-frequency generator. The electrode 13 is the casing of the entire output stage of the high-frequency generator, the elements of which are mounted on the panel 4, mounted on the electrode 2. The electrode 14 faces its outer surface to the elements of the output stage of the high-frequency generator.

При подаче напряжения с выходного каскада высокочастотного генератора 3 на согласующее устройство 7 в нем распространяется бегущая волна и при достижении на разрядном промежутке 5 потенциала зажигания плазмы возникает разряд. При этом согласующее устройство 7 с заранее рассчитанными параметрами (емкость и индуктивность) трансформирует стандартное выходное сопротивление генератора к сопротивлению плазмы в разрядном промежутке, которое составляет единицы ом. Поскольку согласующее устройство 7, выполненное в виде полосковой волноводной линии, имеет распределенный характер, облегчается его охлаждение, например, путем конвекции. Поверхность электродов 12, и 13, 14 согласующего устройства 7 достаточно велика (порядка нескольких сотен см²), что способствует передаче высокочастотной энергии с малыми потерями на нагрев, а тонкие диэлектрические слои в области высокочастотного электрода 12 локализуют высокочастотное поле. Диэлектрические прокладки (вкладыши) 15 и 16 в этом случае не нагреваются, что способствует стабильности параметров согласующего устройства и в свою очередь приводит к стабильности газового разряда. Уровень высокочастотного поля вне полосковой волноводной линии незначителен, поскольку заземленные электроды 13 и 14 по периферии образуют щель, которая очень мала по сравнению с длиной волны высокочастотного поля и образует для него запредельный волновод.When voltage is applied from the output stage of the high-frequency generator 3 to the matching device 7, a traveling wave propagates in it and when a plasma ignition potential reaches the discharge gap 5, a discharge occurs. In this case, the matching device 7 with pre-calculated parameters (capacitance and inductance) transforms the standard output resistance of the generator to the plasma resistance in the discharge gap, which is unity ohms. Since the matching device 7, made in the form of a strip waveguide line, has a distributed character, its cooling is facilitated, for example, by convection. The surface of the electrodes 12, and 13, 14 of the matching device 7 is quite large (of the order of several hundred cm ² ), which contributes to the transfer of high-frequency energy with low heating losses, and thin dielectric layers in the region of the high-frequency electrode 12 localize the high-frequency field. The dielectric gaskets (liners) 15 and 16 in this case do not heat up, which contributes to the stability of the parameters of the matching device and, in turn, leads to the stability of the gas discharge. The level of the high-frequency field outside the stripe waveguide line is insignificant, since the grounded electrodes 13 and 14 at the periphery form a gap that is very small compared to the wavelength of the high-frequency field and forms an extraordinary waveguide for it.

При регулировании в момент настройки согласующего устройства 7 прокладки 15 и 16 перемещаются, при этом емкость полосковой волноводной линии изменяется и происходит перераспределение напряжения между согласующим устройством 7 и плазмой разрядного промежутка 5. При достижении согласования, что определяется по минимальной отраженной от устройства мощности, диэлектрические прокладки 15 и 16 фиксируются. When adjusting at the time of adjustment of the matching device 7, the spacers 15 and 16 move, while the capacitance of the strip waveguide line changes and the voltage is redistributed between the matching device 7 and the plasma of the discharge gap 5. When matching is achieved, which is determined by the minimum power reflected from the device, the dielectric spacers 15 and 16 are fixed.

В процессе исследования макета газового лазера предлагаемой конструкции получена генерация излучения на длине волны λ 10,6 мкм (на смеси газов, содержащей CO₂) с мощностью в луче порядка 100 Вт. При этом расходимость излучения оказалась близкой к теоретическому пределу. Электрооптический КПД достигал ≈ 12%
Источники информации:
1. Патент США N 4,891,819, нац. кл. 372/82, м.кл.⁴; H 01 S 3/097, заявл. 17.01.89, выдан 02.01.90. "RF excited laser with internally folded resonator".In the process of studying the model of a gas laser of the proposed design, radiation was generated at a wavelength of λ 10.6 μm (on a mixture of gases containing CO ₂ ) with a beam power of about 100 W. In this case, the radiation divergence turned out to be close to the theoretical limit. Electro-optical efficiency reached ≈ 12%
Information sources:
1. US Patent N 4,891,819, nat. class 372/82, m.cl. ⁴ ; H 01 S 3/097, claimed 01/17/89, issued 02/01/90. "RF excited laser with internally folded resonator."

2. Denis R.Hall, Howard J.Baker "Area scaling boosts CO₂-laser performance", Laser Focus World, October, 1987, p.p. 77-80.2. Denis R. Hall, Howard J. Baker, “Area scaling boosts CO ₂ -laser performance,” Laser Focus World, October, 1987, pp. 77-80.

3. R.Nowack, H.Opower, U.Schaefer, K.Wessel, Th.Hall, H. Kruger, H.Weber "High power CO₂ waveguide laser of the 1 kW Category", Proc. SPIE, vol. 1276, 1990, p.p. 18-28.3. R.Nowack, H. Opower, U.Schaefer, K.Wessel, Th.Hall, H. Kruger, H.Weber "High power CO ₂ waveguide laser of the 1 kW Category", Proc. SPIE, vol. 1276, 1990, pp 18-28.

Claims

A gas laser comprising two flat electrodes forming a discharge gap of a rectangular cross section, with one electrode connected to the output stage of the high-frequency generator using a matching device, and the second electrode is grounded, characterized in that the electrodes are aligned with the walls of the vacuum chamber, and the matching device is made in a strip waveguide line in contact with the electrode along its entire length and envelope the elements of the output stage of the high-frequency generator mounted on the panel are installed Oval on the electrode connected to the output stage of the high-frequency generator.