RU2313872C2 - Nitrogen laser - Google Patents
Nitrogen laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2313872C2 RU2313872C2 RU2005130619/28A RU2005130619A RU2313872C2 RU 2313872 C2 RU2313872 C2 RU 2313872C2 RU 2005130619/28 A RU2005130619/28 A RU 2005130619/28A RU 2005130619 A RU2005130619 A RU 2005130619A RU 2313872 C2 RU2313872 C2 RU 2313872C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- discharge channel
- discharge
- laser
- nitrogen
- plates
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к конструкциям импульсных газовых азотных лазеров с накачкой продольным импульсным разрядом.The invention relates to quantum electronics, namely, to designs of pulsed gas nitrogen lasers pumped by a longitudinal pulsed discharge.
Азотные лазеры представляют собой лазеры, работающие на самоограниченных переходах молекул азота, в которых длительность и частота генерируемых лазерных импульсов ограничиваются соотношением скоростей возбуждения и релаксации рабочих уровней. Для возбуждения верхних лазерных уровней используется импульсная накачка, причем длительность возбуждающего импульса должна быть короче радиационного времени жизни верхнего лазерного уровня, имеющего значение τ~40 наносекунд. Для получения высокой пиковой мощности инверсию населенностей на переходах молекулы азота необходимо создавать за время t, значительно меньшее радиационного времени жизни верхнего лазерного уровня [1].Nitrogen lasers are lasers operating on self-limited transitions of nitrogen molecules in which the duration and frequency of the generated laser pulses are limited by the ratio of the rates of excitation and relaxation of the working levels. To excite the upper laser levels, pulsed pumping is used, and the duration of the exciting pulse should be shorter than the radiation lifetime of the upper laser level, which has a value of τ ~ 40 nanoseconds. To obtain a high peak power, the population inversion at the transitions of the nitrogen molecule must be created in time t, which is much shorter than the radiation lifetime of the upper laser level [1].
При газоразрядном методе накачки время накачки t зависит от плотности и скорости нарастания импульса тока на стадии пробоя разрядной трубки. Это время зависит от геометрических размеров разрядного промежутка, давления азота в разрядной трубке и параметров электрической цепи. При этом время накачки и параметры импульсов излучения лимитируются, главным образом, таким электрическим параметром, как индуктивность разрядной цепи [1-5].In the gas-discharge pumping method, the pumping time t depends on the density and rise rate of the current pulse at the stage of breakdown of the discharge tube. This time depends on the geometric dimensions of the discharge gap, the pressure of nitrogen in the discharge tube, and the parameters of the electrical circuit. In this case, the pump time and parameters of the radiation pulses are limited mainly by such an electrical parameter as the discharge circuit inductance [1-5].
Одним из типов газоразрядных лазеров на молекулярном азоте является лазер с продольной накачкой, когда в разрядном промежутке возбуждается продольный электрический разряд.One type of molecular nitrogen gas-discharge lasers is a longitudinally pumped laser, when a longitudinal electric discharge is excited in the discharge gap.
Известен азотный лазер, в котором накачка осуществляется с помощью генератора Блюмляйна на основе двойной коаксиальной линии [4]. Известен также азотный лазер, состоящий из активного элемента, резонатора и устройства формирования высоковольтных импульсов возбуждения. Активный элемент включает коаксиальную трубку с разрядным каналом и холодными электродами - катодом и анодом; резонатор образован глухим диэлектрическим зеркалом и кварцевой пластиной без покрытия [5].Known nitrogen laser, in which the pump is carried out using a Blumlein generator based on a double coaxial line [4]. Also known is a nitrogen laser consisting of an active element, a resonator, and a device for generating high-voltage excitation pulses. The active element includes a coaxial tube with a discharge channel and cold electrodes - the cathode and anode; the cavity is formed by a blank dielectric mirror and an uncoated quartz plate [5].
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 импульсные мощности.A common drawback of these devices is the large inductance of the 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 pulsed power.
В качестве прототипа заявляемого технического решения выбран молекулярный газовый лазер с электрическим возбуждением активной газовой среды, в качестве которой может использоваться азот [6]. 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.As a prototype of the claimed technical solution, a molecular gas laser with electrical excitation of an active gas medium, which can be used nitrogen [6], was selected. 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.
Конструктивное выполнение известного лазера на молекулярном азоте обеспечивает некоторое уменьшение индуктивности разрядной цепи, однако оно недостаточно для получения мощного лазерного излучения.The constructive implementation of the known molecular nitrogen laser provides a certain decrease in the inductance of the discharge circuit, however, it is not enough to obtain high-power laser radiation.
Как известно, максимальное значение тока накачки в газоразрядном промежутке в импульсном режиме в общем случае определяется соотношением [2, 3]:As is known, the maximum value of the pump current in the gas-discharge gap in the pulse mode is generally determined by the relation [2, 3]:
где Uпр - напряжение пробоя разрядного канала, Rп - омическое сопротивление разрядного канала, ρ - волновое сопротивление разрядного контура.where U CR - breakdown voltage of the discharge channel, R p - ohmic resistance of the discharge channel, ρ - wave impedance of the discharge circuit.
Поскольку Rп разрядного канала после его пробоя становится очень малым, главным фактором, определяющим величину Imax, является волновое сопротивление, пропорциональное индуктивности L [2, 3, 7]:Since R p the discharge channel after its breakdown becomes very small, the main factor determining the value of I max is the wave impedance proportional to the inductance L [2, 3, 7]:
где С - емкость конденсатора, который разряжается на разрядный канал.where C is the capacitance of the capacitor, which is discharged to the discharge channel.
Длительность тока накачки τ для случая, когда ρ>>Rп, также пропорциональна индуктивности электрического контура [2, 3, 7]:The duration of the pump current τ for the case when ρ >> R p is also proportional to the inductance of the electric circuit [2, 3, 7]:
Таким образом, из (1), (2) и (3) следует, что основные параметры накачки азотного лазера - ток и его длительность - для фиксированного значения накопительной емкости С определяются индуктивностью разрядного контура L.Thus, it follows from (1), (2), and (3) that the main parameters of the nitrogen laser pump — the current and its duration — for a fixed value of the storage capacitance C are determined by the inductance of the discharge circuit L.
Разрядный контур в азотном лазере, принятом за прототип, образован газоразрядным каналам и металлическими обкладками цилиндрического конденсатора, в сквозной полости которого он размещен. Индуктивность такого коаксиального разрядного контура L определяется выражением [7]:The discharge circuit in a nitrogen laser adopted as a prototype is formed by gas discharge channels and metal plates of a cylindrical capacitor, in the through cavity of which it is placed. The inductance of such a coaxial discharge circuit L is determined by the expression [7]:
где μо - магнитная постоянная; q - радиус разрядного канала;where μ about - magnetic constant; q is the radius of the discharge channel;
p - радиус внешнего токопровода.p is the radius of the external conductor.
Для уменьшения индуктивности L следует уменьшать величину q, но такой подход недостаточно эффективен, так как уменьшение L за счет уменьшения q ограничивается толщиной диэлектрической стенки конденсатора, при которой происходит его пробой. Расчеты показывают, что индуктивность разрядного контура в устройстве-прототипе составляет сотни наногенри.To reduce the inductance L, q should be reduced, but this approach is not effective enough, since a decrease in L due to a decrease in q is limited by the thickness of the dielectric wall of the capacitor, at which it breaks down. Calculations show that the inductance of the discharge circuit in the prototype device is hundreds of nanogenry.
Таким образом, недостатками азотного лазера, принятого за прототип, являются невысокие энергетические характеристики импульсного излучения и недостаточный КПД накачки.Thus, the disadvantages of the nitrogen laser adopted for the prototype are the low energy characteristics of pulsed radiation and insufficient pump efficiency.
Задача, решаемая изобретением, - повышение энергетических характеристик импульсного излучения и КПД накачки газовых лазеров с продольным разрядом.The problem solved by the invention is to increase the energy characteristics of pulsed radiation and the pumping efficiency of gas lasers with a longitudinal discharge.
Указанная задача решается тем, что в азотном лазере, включающем разрядный канал, электроды для возбуждения в разрядном канале продольного электрического разряда, подсоединенные к устройству формирования высоковольтных импульсов накачки, и резонатор, разрядный канал формируется между тремя пластинами из диэлектрического материала, расположенными параллельно друг другу, при этом в крайних пластинах выполнены сквозные отверстия, расположенные напротив электродов, а в центральной пластине с противоположной стороны от упомянутых отверстий выполнен сквозной паз, разрядный канал имеет в продольном сечении П-образную форму, при этом полости между крайними пластинами и центральной пластиной образуют плечи П-образного разрядного канала, соединенные между собой пазом.This problem is solved in that in a nitrogen laser including a discharge channel, electrodes for excitation in the discharge channel of a longitudinal electric discharge connected to a device for generating high-voltage pump pulses, and a resonator, a discharge channel are formed between three plates of dielectric material parallel to each other, at the same time, through holes located opposite the electrodes are made in the end plates, and in the central plate on the opposite side from the apertures The throat is made through the groove, the discharge channel has a U-shaped in longitudinal section, while the cavities between the extreme plates and the central plate form the shoulders of the U-shaped discharge channel, interconnected by a groove.
Параметры разрядного канала выбираются из условий:The parameters of the discharge channel are selected from the conditions:
где b и с - соответственно ширина и высота разрядного канала, d - расстояние между плечами разрядного канала.where b and c are the width and height of the discharge channel, respectively, d is the distance between the arms of the discharge channel.
Сущность изобретения заключается в формировании П-образного разрядного канала и соответствующем расположении электродов относительно плеч разрядного канала, что обеспечивает протекание тока в плечах разрядного канала в противоположных направлениях относительно друг друга и приводит к существенному снижению величины индуктивности такого разрядного контура.The essence of the invention lies in the formation of a U-shaped discharge channel and the corresponding arrangement of the electrodes relative to the arms of the discharge channel, which ensures the flow of current in the arms of the discharge channel in opposite directions relative to each other and leads to a significant decrease in the inductance of such a discharge circuit.
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 схематически изображен заявляемый азотный лазер, на фиг.2 приведена форма и геометрические размеры разрядного канала.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 schematically depicts the inventive nitrogen laser, figure 2 shows the shape and geometric dimensions of the discharge channel.
Азотный лазер состоит из активного элемента, резонатора и устройства формирования импульсов. Активный элемент образован диэлектрическими пластинами 1 и 2, между которыми расположена тонкая диэлектрическая пластина 3, выполненная, например, из кварца, стекла или керамики. На пластине 1 расположен катод 4, а на пластине 2 - анод 5, подсоединенные к устройству формирования высоковольтных импульсов накачки 6, включающему импульсный генератор (выполненный, например, в виде генераторов Блюмляйна, Маркса или импульсного трансформатора), и подсоединенный к нему низкоиндуктивный емкостной накопитель энергии. В пластинах 1 и 2 выполнены сквозные отверстия 7 и 8, напротив которых расположены катод 4 и анод 5. В центральной пластине 3 с противоположной стороны от отверстий 7 и 8 выполнен паз 9. Отверстия 7 и 8 и паз 9 расположены таким образом, что в пространстве между пластинами 1, 2, 3 формируется разрядный канал 10, имеющий в продольном сечении П-образную форму, при этом полости между пластинами 1 и 2 с одной стороны и центральной пластиной 3 с другой стороны образуют плечи разрядного канала 10, соединенные между собой пазом 9. С торцов разрядный канал 10 герметизируется окнами 11 и 12, расположенными, например, под углом Брюстера. Оптический резонатор образован «глухим» зеркалом 13 и прозрачным выходным зеркалом 14. Ввод газа в разрядный канал 10 осуществляется через отверстие 15, выполненное в верхней пластине 1.A nitrogen laser consists of an active element, a resonator, and a pulse shaping device. The active element is formed by dielectric plates 1 and 2, between which is located a thin dielectric plate 3 made, for example, of quartz, glass or ceramic. The cathode 4 is located on the plate 1, and the anode 5 is connected on the plate 2, connected to a device for generating high-voltage pump pulses 6, including a pulse generator (made, for example, in the form of Blumlyayn, Marx or pulse transformer generators), and a low-inductive capacitive storage connected to it energy. Through-holes 7 and 8 are made in the plates 1 and 2, opposite which the cathode 4 and the anode 5 are located. In the central plate 3, a groove 9 is made on the opposite side of the holes 7 and 8. The openings 7 and 8 and the groove 9 are arranged so that the space between the plates 1, 2, 3, a
Геометрические параметры разрядного канала выбираются из следующих соображений.The geometric parameters of the discharge channel are selected from the following considerations.
Индуктивность L разрядного канала прямоугольного сечения (фиг.2) определяется соотношением [7]:The inductance L of the discharge channel of rectangular cross section (figure 2) is determined by the relation [7]:
где γ=с/d.where γ = c / d.
Как следует из (5), индуктивность L разрядного канала определяется соотношением между величинами b, с и d, где b и с соответственно ширина и высота разрядного канала, d - расстояние между его плечами (толщина центральной диэлектрической пластины 3).As follows from (5), the inductance L of the discharge channel is determined by the ratio between the quantities b, c and d, where b and c are respectively the width and height of the discharge channel, d is the distance between its shoulders (thickness of the central dielectric plate 3).
Заявителем установлено, что наибольшее снижение индуктивности разрядного контура достигается при выполнении следующих условий:The applicant has established that the greatest decrease in the inductance of the discharge circuit is achieved when the following conditions are met:
Для типичных значений b=3 мм, с=30 мм, d=1 мм и общей протяженности разрядного канала 0,5 м его индуктивность составит 6 наногенри, что значительно меньше индуктивности коаксиального разрядного контура в устройстве-прототипе при сравнимых геометрических размерах.For typical values of b = 3 mm, c = 30 mm, d = 1 mm and a total length of the discharge channel of 0.5 m, its inductance will be 6 nanogenry, which is significantly less than the inductance of the coaxial discharge circuit in the prototype device with comparable geometric dimensions.
Азотный лазер согласно изобретению работает следующим образом. Через отверстие 15 в разрядный канал напускается газ (азот). Затем от устройства 6 на катод 4 и анод 5 подается высоковольтный импульс, в результате чего в разрядном канале возникает продольный электрический разряд, возбуждающий рабочие уровни молекул азота и приводящий к генерации лазерного излучения. Токи I1 и I2 в плечах разрядного канала 10 текут в противоположных направлениях. Близость токов I1 и I2 приводит к эффективному вычитанию магнитных потоков, порождаемых этими токами, и соответствующему уменьшению индуктивности разрядного контура, что обеспечивает достижение в газовом разряде больших по величине и меньших по длительности токов накачки. Это, в свою очередь, приводит к повышению эффективности накачки и достижению более высоких значений энергии излучения в импульсе при малой длительности импульса лазерного излучения.The nitrogen laser according to the invention operates as follows. Through the hole 15, gas (nitrogen) is introduced into the discharge channel. Then, a high voltage pulse is supplied from the device 6 to the cathode 4 and anode 5, as a result of which a longitudinal electric discharge arises in the discharge channel, exciting the working levels of nitrogen molecules and leading to the generation of laser radiation. The currents I 1 and I 2 at the shoulders of the
Лазерное излучение генерируется в резонаторе между зеркалами 13 и 14 и выходит через прозрачное зеркало 14 наружу.Laser radiation is generated in the cavity between the mirrors 13 and 14 and exits through the transparent mirror 14 to the outside.
Таким образом, по сравнению с устройством-прототипом заявляемый азотный лазер позволяет получить более высокие энергетические характеристики лазерного излучения и КПД накачки.Thus, in comparison with the prototype device, the inventive nitrogen laser allows to obtain higher energy characteristics of laser radiation and pump efficiency.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. В.М.Каслин, Г.Г.Петраш. "Импульсные газовые лазеры на электронных переходах молекул". - Труды ФИАН. - М., Наука, 1971 г., т.81, с.88-185.1. V.M.Kaslin, G.G. Petrash. "Pulsed gas lasers based on electronic transitions of molecules." - Proceedings of the LPI. - M., Nauka, 1971, v. 81, p. 88-185.
2. В.В.Савин, В.Ф.Тарасенко, Ю.И.Бычков. "Исследование переходной стадии разряда в азотном лазере". - ЖТФ, 1976 г., с.198-201.2. V.V. Savin, V.F. Tarasenko, Yu.I. Bychkov. "Investigation of the transition stage of a discharge in a nitrogen laser." - ZhTF, 1976, p.198-201.
3. Ю.И.Бычков, В.В.Савин. В.Ф.Тарасенко. "Энергетические характеристики азотного лазера". - Газовые лазеры. Под ред. Р.И.Солоухина и В.П.Чеботарева. Новосибирск, Наука, 1977 г., с.224-238.3. Yu.I. Bychkov, VV Savin. V.F. Tarasenko. "Energy characteristics of a nitrogen laser." - Gas lasers. Ed. R.I.Soloukhina and V.P. Chebotareva. Novosibirsk, Nauka, 1977, p. 224-238.
4. А.М.Ражев, Г.Г.Телегин. "Импульсные ультрафиолетовые лазеры на молекулярном азоте". - Зарубежная радиоэлектроника, 1978 г., №3, с.76-94.4. A.M. Razhev, G.G. Telegin. "Pulsed ultraviolet lasers based on molecular nitrogen." - Foreign Radio Electronics, 1978, No. 3, p. 76-94.
5. В.В.Кюн, В.Г.Самородов, Ю.М.Токунов. "Импульсно-периодические азотные лазеры". Обзоры по электронной технике, серия 11, выпуск 2 (1437), 1989 г., с.14-22.5. V.V.Kyun, V.G. Samorodov, Yu.M. Tokunov. "Pulse-periodic nitrogen lasers." Reviews on Electronic Engineering, Series 11, Issue 2 (1437), 1989, pp. 14-22.
6. Патент США №4367553, НКИ 372/55, 1983 г. (прототип).6. US patent No. 4367553, NKI 372/55, 1983 (prototype).
7. П.Л.Калантаров, Л.Н.Цейтлин. "Расчет индуктивностей. Справочная книга". Ленинград, Энергия, 1970 г., 416 с.7. P.L. Kalantarov, L.N. Zeitlin. "Calculation of inductances. A reference book." Leningrad, Energy, 1970, 416 p.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005130619/28A RU2313872C2 (en) | 2005-10-03 | 2005-10-03 | Nitrogen laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005130619/28A RU2313872C2 (en) | 2005-10-03 | 2005-10-03 | Nitrogen laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005130619A RU2005130619A (en) | 2007-04-10 |
| RU2313872C2 true RU2313872C2 (en) | 2007-12-27 |
Family
ID=38000055
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005130619/28A RU2313872C2 (en) | 2005-10-03 | 2005-10-03 | Nitrogen laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2313872C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2664780C1 (en) * | 2017-11-10 | 2018-08-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | Nitrogen laser, excited by longitudinal electric discharge |
-
2005
- 2005-10-03 RU RU2005130619/28A patent/RU2313872C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2664780C1 (en) * | 2017-11-10 | 2018-08-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | Nitrogen laser, excited by longitudinal electric discharge |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005130619A (en) | 2007-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4534035A (en) | Tandem electric discharges for exciting lasers | |
| Lachambre et al. | A transversely rf‐excited CO2 waveguide laser | |
| JPS6335117B2 (en) | ||
| CN115621829B (en) | Radio frequency excitation waveguide CO2 laser | |
| RU2313872C2 (en) | Nitrogen laser | |
| Mineev et al. | Radio frequency excited planar CO2 and CO lasers | |
| RU2303322C1 (en) | Volume discharge generating device | |
| RU2507654C1 (en) | Gas discharge laser, laser system and method of radiation generation | |
| RU2517796C1 (en) | Apparatus for generating volumetric self-sustained discharge | |
| Smith et al. | High repetition-rate and quasi-cw operation of a waveguide CO2 TE laser | |
| RU2519869C2 (en) | Excimer laser system and method of generating radiation | |
| RU2557327C2 (en) | Gas-discharge excimer laser (versions) | |
| RU2189679C2 (en) | Process of pumping of active medium into continuous-wave gaseous-discharge laser with electrodes carrying dielectric coats | |
| RU2422958C1 (en) | Method of exciting pulsed inductive-capacitive longitudinal discharge in gas media and device for realising said method | |
| RU2664780C1 (en) | Nitrogen laser, excited by longitudinal electric discharge | |
| RU2007003C1 (en) | Gas laser | |
| US5007064A (en) | Gas laser | |
| RU2598142C2 (en) | Powerful pulse-periodic excimer laser for technological applications | |
| Silva et al. | Plasma electronics in pulsed nitrogen lasers | |
| JP4312395B2 (en) | Axial pumped gas laser device and injection-locked gas laser device | |
| RU2503104C1 (en) | Gas-discharge laser | |
| RU2162263C2 (en) | Self-maintained space discharge shaping device | |
| CN1265517C (en) | High repetition frequency pulse discharge slab gas laser | |
| Anderson et al. | Discharge-heated lead vapor laser | |
| RU2254650C1 (en) | Space-saving pulsed gas laser and magnetic pulse compressing device for its excitation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091004 |