RU2411619C1 - High-frequency discharge excited gas laser - Google Patents
High-frequency discharge excited gas laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2411619C1 RU2411619C1 RU2009138084/28A RU2009138084A RU2411619C1 RU 2411619 C1 RU2411619 C1 RU 2411619C1 RU 2009138084/28 A RU2009138084/28 A RU 2009138084/28A RU 2009138084 A RU2009138084 A RU 2009138084A RU 2411619 C1 RU2411619 C1 RU 2411619C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- laser according
- shell
- laser
- dielectric
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
- H01S3/032—Constructional details of gas laser discharge tubes for confinement of the discharge, e.g. by special features of the discharge constricting tube
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
- H01S3/036—Means for obtaining or maintaining the desired gas pressure within the tube, e.g. by gettering, replenishing; Means for circulating the gas, e.g. for equalising the pressure within the tube
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
- H01S3/038—Electrodes, e.g. special shape, configuration or composition
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/04—Arrangements for thermal management
- H01S3/041—Arrangements for thermal management for gas lasers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к области лазерной техники, и предназначено для использования при создании высокоэффективных и компактных газовых лазеров высокой мощности для индустриального применения, например для высокоточной сварки и резки металлов.The invention relates to quantum electronics, in particular to the field of laser technology, and is intended for use in creating highly efficient and compact high-power gas lasers for industrial applications, for example, for high-precision welding and cutting of metals.
Анализ существующих конструкций газовых лазеров с поперечным потоком и возбуждением высокочастотным разрядом показывает, что в них традиционно используются плоскопараллельные каналы, не учитывающие рост пограничных слоев в пристеночных областях зоны оптического резонатора, обусловленных трением газового потока о стенки на протяжении всей зоны.An analysis of existing designs of gas lasers with a transverse flow and excitation by a high-frequency discharge shows that they traditionally use plane-parallel channels that do not take into account the growth of boundary layers in the near-wall regions of the optical cavity zone due to the friction of the gas flow against the walls throughout the entire zone.
Пограничные слои представляют собой низкоскоростные застойные зоны с высокой статической температурой. При температуре газа сверх критической (для СО2 лазера выше 400°К) упомянутые слои работают как диафрагмы, поглощая часть энергии лазерного пучка внутри оптического резонатора. Толщина пограничных слоев и их температура пропорциональны интенсивности плазмы и, как следствие, температуре газа.The boundary layers are low-speed stagnant zones with high static temperature. At a gas temperature in excess of the critical temperature (for a CO 2 laser above 400 ° K), the aforementioned layers act as diaphragms, absorbing part of the laser beam energy inside the optical resonator. The thickness of the boundary layers and their temperature are proportional to the plasma intensity and, as a consequence, the gas temperature.
Игнорирование указанных обстоятельств приводит к значительным потерям выходной лазерной эмиссии, снижению КПД оптического резонатора и, как результат, снижению общего КПД лазера, оцениваемому, как минимум, в 1-2%.Ignoring these circumstances leads to significant losses in the output laser emission, a decrease in the efficiency of the optical resonator, and, as a result, a decrease in the total laser efficiency, estimated at least 1-2%.
Кроме того, конструкции с поперечным потоком и плоскопараллельной конфигурацией лазерной полости подвержены значительным механико-температурным деформациям, создаваемым градиентами перепада давления между вакуумной лазерной полостью и внешней средой, а также перепадом температуры на стенках плоской конструкции. Для стабилизации и компенсации механических флуктуаций прибегают к упрочнению и компенсации механических флуктуаций прибегают к упрочнению конструкции, которая при этом становится более сложной, громоздкой и тяжелой.In addition, structures with a transverse flow and a plane-parallel configuration of the laser cavity are subject to significant mechanical and thermal deformations created by the gradients of the pressure drop between the vacuum laser cavity and the external environment, as well as the temperature drop on the walls of the flat structure. To stabilize and compensate for mechanical fluctuations, they resort to hardening and compensate for mechanical fluctuations, they resort to hardening of the structure, which at the same time becomes more complex, bulky and heavy.
Известен газовый лазер, в котором корпус образован внешней цилиндрической оболочкой и расположенной в ней внутренней цилиндрической диэлектрической оболочкой, ось которой параллельна и эксцентрична оси внешней цилиндрической оболочки. Цилиндрические оболочки герметично соединены с торцевыми фланцами с образованием между ними замкнутого газодинамического канала, в наиболее узком участке которого расположена газоразрядная камера с электродами, нижний из которых установлен на внутренней поверхности диэлектрической оболочки, а другой - в зазоре между оболочками параллельно нижнему с образованием разрядного промежутка. В газодинамическом канале расположены теплообменник-охладитель и вентилятор, создающий поток активной газовой среды, циркулирующей в газодинамическом канале.A known gas laser in which the housing is formed by an outer cylindrical shell and an inner cylindrical dielectric shell located therein, whose axis is parallel and eccentric to the axis of the outer cylindrical shell. The cylindrical shells are hermetically connected to the end flanges with the formation of a closed gas-dynamic channel between them, in the narrowest section of which there is a gas-discharge chamber with electrodes, the lower of which is mounted on the inner surface of the dielectric shell, and the other in the gap between the shells parallel to the bottom with the formation of a discharge gap. A heat exchanger-cooler and a fan are located in the gas-dynamic channel, creating a flow of active gas medium circulating in the gas-dynamic channel.
В известном лазере газодинамический канал ограничен изогнутыми поверхностями цилиндрических оболочек, однако конфигурация самого разрядного промежутка, определяемая характером взаимного расположения электродов и оболочек, имеет традиционную плоскопараллельную форму, что предопределяет все те указанные выше недостатки, которые присущи лазерам с плоскопараллельной формой газодинамического канала.In the known laser, the gas-dynamic channel is limited by the curved surfaces of the cylindrical shells, however, the configuration of the discharge gap itself, determined by the nature of the mutual arrangement of the electrodes and the shells, has a traditional plane-parallel shape, which predetermines all of the above disadvantages that are inherent to lasers with a plane-parallel shape of the gas-dynamic channel.
Не решает всех проблем и использование в известном лазере с цилиндрическими оболочками высокочастотной накачки, поскольку плазма между двух оголенных электродов, расположенных на пути газового потока, остается неустойчивой и характеризующейся малой плотностью объемной энергии вследствие образования турбулентности газового потока и вихрей на выступах электродов, вследствие чего лазер имеет низкий КПД и большие размеры.The use of high-frequency pumping in a known laser with cylindrical shells does not solve all the problems, since the plasma between two bare electrodes located in the path of the gas flow remains unstable and is characterized by a low volume energy density due to the formation of gas flow turbulence and vortices on the electrode protrusions, as a result of which the laser It has low efficiency and large size.
Известен газовый лазер, в котором накачка активной среды осуществляется током импульсного разряда высокого напряжения, создаваемого в межэлектродном промежутке лазера [2]. Однако нагрев газа и плазмохимические процессы, возникающие в смеси газа в результате прохождения импульсного тока, приводят к изменению свойств газовой смеси в разрядном промежутке и, как следствие, ограничивают частоту следования импульсов генерации лазера периодического действия [3]. В этом случае работа лазера с высокой частотой следования импульсов может быть реализована при использовании специального средства прокачки газа, позволяющего своевременно заменить отработанный газ в межэлектродном промежутке.A known gas laser in which the active medium is pumped by a current of a high voltage pulse discharge generated in the interelectrode gap of the laser [2]. However, gas heating and plasma-chemical processes that occur in a gas mixture as a result of the passage of a pulsed current lead to a change in the properties of the gas mixture in the discharge gap and, as a result, limit the repetition rate of periodic laser pulses [3]. In this case, the operation of a laser with a high pulse repetition rate can be realized using a special means of pumping gas, which allows timely replacement of the exhaust gas in the interelectrode gap.
Известен газовый лазер с поперечным потоком газа через разряд, излучатель которого имеет замкнутый газодинамический контур, включающий газоразрядную камеру, в которую вмонтированы электроды, теплообменник, прокачное устройство и переходные участки, соединяющие перечисленные элементы. Газодинамический контур имеет самое широкое поперечное сечение на участке расположения теплообменника, а участок газоразрядной камеры от фронта электродов до своего заднего фронта выполнен в виде плоского диффузора, при этом длина упомянутого участка составляет порядка (8-9) поперечных размеров канала на фронте перед электродами [4].A known gas laser with a transverse gas flow through a discharge, the emitter of which has a closed gas-dynamic circuit, including a gas discharge chamber, in which electrodes, a heat exchanger, a pumping device and transition sections connecting the above elements are mounted. The gas-dynamic circuit has the widest cross section at the heat exchanger location section, and the gas-discharge chamber section from the front of the electrodes to its trailing edge is made in the form of a flat diffuser, while the length of this section is about (8-9) the transverse dimensions of the channel at the front in front of the electrodes [4 ].
Недостатком известного лазера является ограничение по мощности (или низкие удельные энергетические характеристики), что связано, прежде всего, с относительно большим межэлектродным зазором и наличием длинных переходных участков, в частности диффузора газоразрядной камеры лазера. Габариты излучателя в таком лазере составляют, как правило, величину около 3 м3 на 1 кВт мощности генерации. Путем уменьшения протяженности переходных участков габариты излучателя можно уменьшить до 1-1,5 м3/кВт, однако при этом увеличиваются затраты мощности на прокачку до 2,5-3,5 кВт излучаемой мощности.A disadvantage of the known laser is the power limitation (or low specific energy characteristics), which is associated primarily with the relatively large interelectrode gap and the presence of long transition sections, in particular a diffuser of the laser discharge chamber. The dimensions of the emitter in such a laser are, as a rule, about 3 m 3 per 1 kW of lasing power. By reducing the length of the transition sections, the dimensions of the emitter can be reduced to 1-1.5 m 3 / kW, however, this increases the cost of power for pumping up to 2.5-3.5 kW of radiated power.
Кроме того, использование оголенных электродов, расположенных внутри проточного канала и непосредственно омываемых газовым потоком, создает ряд принципиальных проблем, таких как большие объемы разряда с малой объемной плотностью энергии, химическая картаминация (разложение) самого лазерного газа, опасное высокое напряжение и т.д.In addition, the use of bare electrodes located inside the flow channel and directly washed by the gas stream creates a number of fundamental problems, such as large discharge volumes with a low bulk energy density, chemical cartamation (decomposition) of the laser gas itself, dangerous high voltage, etc.
Задачей настоящего изобретения является разработка газового лазера с поперечным потоком и возбуждением высокочастотным разрядом, конструкция которого обеспечивает увеличение мощности и удельных энергетических характеристик, повышенный КПД, предельную компактность и легкость, механическую стабильность и технологическую простоту в изготовлении и эксплуатации.The objective of the present invention is to develop a gas laser with a cross flow and excitation by a high-frequency discharge, the design of which provides an increase in power and specific energy characteristics, increased efficiency, ultimate compactness and lightness, mechanical stability and technological simplicity in manufacturing and operation.
Решение поставленной задачи достигается тем, что газовый лазер с поперечной прокачкой и возбуждением высокочастотным разрядом содержит корпус, образованный внешней цилиндрической металлической оболочкой и эксцентрично установленной в ней внутренней цилиндрической диэлектрической оболочкой, герметично соединенные с торцовыми фланцами и формирующие газодинамический канал для циркуляции активной среды, участок с наиболее узким сечением которого образует плазменную камеру, оптический резонатор, электрод, соединенный с резонансно настроенным высокочастотным блоком питания, охладительный теплообменник и турбокомпрессор центробежного типа, создающий поток активной газовой среды, огибающий внутреннюю цилиндрическую диэлектрическую оболочку, при этом газодинамический канал на участке с наиболее узким сечением имеет переменный по высоте симметричный или ассиметричный профиль дугообразной или плоской формы с угловым раскрытием в направлении течения активной среды вдоль ширины зоны оптического резонатора, электрод плотно примыкает своей поверхностью непосредственно к внешней поверхности внутренней цилиндрической диэлектрической оболочки, внутренняя поверхность внешней цилиндрической оболочки на упомянутом участке газодинамического канала изолирована от газового потока и плазмы диэлектрическим слоем, а внешняя цилиндрическая металлическая оболочка заземлена.The solution to this problem is achieved by the fact that a gas laser with transverse pumping and excitation by a high-frequency discharge contains a housing formed by an external cylindrical metal shell and an internal cylindrical dielectric shell eccentrically mounted in it, hermetically connected to the end flanges and forming a gas-dynamic channel for circulating the active medium, a section with the narrowest cross section of which forms a plasma chamber, an optical resonator, an electrode connected to a high-frequency power supply unit, a cooling heat exchanger and a centrifugal-type turbocharger that generates a flow of active gas medium, envelopes the inner cylindrical dielectric shell, while the gas-dynamic channel in the section with the narrowest section has a symmetric or asymmetric profile of an arcuate or flat shape with an angular opening of variable height the direction of the flow of the active medium along the width of the zone of the optical resonator, the electrode is closely adjacent to its surface directly continuously to the outer surface of the inner dielectric cylindrical shell, the inner surface of the outer cylindrical shell in said portion of gas-dynamic channel is isolated from the gas flow and the plasma by a dielectric layer, and an outer cylindrical metal shell grounded.
Кроме того, высокочастотный блок питания может быть выполнен с возможностью подачи электрических импульсов с частотами от 10 кГц до 1,5 МГц при переменном токе и от 1,5 МГц до 27 МГц в радиочастотном диапазоне.In addition, the high-frequency power supply can be configured to supply electrical pulses with frequencies from 10 kHz to 1.5 MHz at alternating current and from 1.5 MHz to 27 MHz in the radio frequency range.
В качестве активной газовой среды может быть использована смесь газов CO2: N2:Не или смесь газов СО:Не.As an active gas medium, a mixture of CO 2 : N 2 : He gases can be used, or a CO: He gas mixture.
Внешняя и внутренняя цилиндрические оболочки могут быть выполнены с круглыми либо овальными профилями.The outer and inner cylindrical shells can be made with round or oval profiles.
Внешняя и внутренняя цилиндрические оболочки могут быть выполнены с разными профилями: одна с круглым, а другая - с овальным профилем.The outer and inner cylindrical shells can be made with different profiles: one with a round and the other with an oval profile.
Внешняя цилиндрическая оболочка может быть выполнена из алюминиевого сплава или другого металла.The outer cylindrical shell may be made of aluminum alloy or other metal.
Внешняя цилиндрическая оболочка может быть выполнена с воздушным или водяным охлаждением.The outer cylindrical shell can be made with air or water cooling.
Внутренняя цилиндрическая диэлектрическая оболочка может быть выполнена толщиной стенки от 5 до 13 мм.The inner cylindrical dielectric sheath can be made with a wall thickness of 5 to 13 mm.
Внутренняя цилиндрическая диэлектрическая оболочка может быть выполнена из керамики на основе оксида алюминия или композитного материала.The inner cylindrical dielectric sheath can be made of ceramic based on aluminum oxide or composite material.
Внешняя цилиндрическая оболочка может быть выполнена путем профильного выдавливания.The outer cylindrical shell can be made by profile extrusion.
Диэлектрическое покрытие на внутренней поверхности внешней цилиндрической оболочки в области разрядной полости может быть выполнено толщиной от 0,1 до 5 мм.The dielectric coating on the inner surface of the outer cylindrical shell in the region of the discharge cavity can be made with a thickness of 0.1 to 5 mm.
Диэлектрическое покрытие на внутренней поверхности внешней цилиндрической оболочки в области разрядной полости и внутренняя цилиндрическая диэлектрическая оболочка могут быть выполнены путем плазменного напыления и имеет многослойную структуру, образованную из частиц размером от 45 до 15 микрон.The dielectric coating on the inner surface of the outer cylindrical shell in the region of the discharge cavity and the inner cylindrical dielectric shell can be made by plasma spraying and has a multilayer structure formed of particles from 45 to 15 microns in size.
Электрод может быть выполнен металлическим и водоохлаждаемым.The electrode may be made of metal and water-cooled.
Кроме того, цилиндрический газовый лазер может быть снабжен двумя дефлекторами, расположенными на входе в оптический резонатор и двумя дефлекторами, расположенными на выходе из оптического резонатора.In addition, a cylindrical gas laser can be equipped with two deflectors located at the entrance to the optical cavity and two deflectors located at the exit of the optical cavity.
Также радиатор-теплообменник с турбокомпрессором могут быть расположены в выносном канале, соединенном с газодинамическим каналом переходными элементами.Also, a radiator-heat exchanger with a turbocompressor can be located in a remote channel connected to the gas-dynamic channel by transition elements.
Кроме того, диапазон углов раскрытия газодинамического канала на участке с наиболее узким сечением в направлении течения активной среды вдоль ширины зоны оптического резонатора может составлять 1-10°.In addition, the range of angles of opening of the gas-dynamic channel in the area with the narrowest cross section in the direction of flow of the active medium along the width of the zone of the optical resonator can be 1-10 °.
Под понятием "цилиндрическая оболочка" в данной заявке понимается оболочка, имеющая цилиндрическую поверхность, т.е. поверхность, образованную прямой линией (образующей), перемещающейся параллельно заданному направлению вдоль некоторой кривой (направляющей) - И.Н.Бронштейн и К.А.Семендяев "Справочник по математике", М., Наука, 1965, с.174, 232, 233, согласно которому в зависимости от вида направляющей эта поверхность может иметь плоские или квазиплоские участки (см. фиг.118), что допускает возможность выполнения газодинамического контура в виде ассиметричного, переменного по высоте канала дугообразной или частично плоской формы.The term "cylindrical shell" in this application is understood to mean a shell having a cylindrical surface, i.e. surface formed by a straight line (generatrix) moving parallel to a given direction along a certain curve (guide) - IN Bronshtein and K. A. Semendyaev "Handbook of mathematics", M., Nauka, 1965, p. 174, 232, 233, according to which, depending on the type of guide, this surface can have flat or quasi-flat sections (see Fig. 118), which allows the possibility of a gas-dynamic circuit in the form of an asymmetric, variable-height channel arcuate or partially flat shape.
При использовании оболочки, радиус которой значительно превышает ширину оптического резонатора, дугообразный фрагмент оболочки становится практически плоским или квазиплоским. Кроме того, на поверхности цилиндрической оболочки может быть выполнена выточка, формирующая плоский участок оболочки.When using a shell, the radius of which significantly exceeds the width of the optical resonator, the arcuate fragment of the shell becomes almost flat or quasi-flat. In addition, a groove may be formed on the surface of the cylindrical shell to form a flat portion of the shell.
Изобретение иллюстрируется чертежами, в которых: на фиг.1 показан общий вид лазера; на фиг.2а - оптимальный канал с частично плоской конфигурацией (формой) плазменной полости (камеры) и угловым его раскрытием; на фиг.2б - оптимальный канал с дугообразной конфигурацией (формой) плазменной полости (камеры) и угловым его раскрытием; на фиг.3 - вид плазменной полости сверху; на фиг.4 - профиль диэлектрического слоя на внутренней поверхности внешнего цилиндра; на фиг.5 - лазер в разрезе, проходящем через ось оптического резонатора.The invention is illustrated by drawings, in which: figure 1 shows a General view of the laser; on figa - the optimal channel with a partially flat configuration (shape) of the plasma cavity (chamber) and its angular opening; on figb - the optimal channel with an arched configuration (shape) of the plasma cavity (chamber) and its angular opening; figure 3 is a top view of the plasma cavity; figure 4 - profile of the dielectric layer on the inner surface of the outer cylinder; figure 5 - laser in section, passing through the axis of the optical resonator.
Описываемый газовый лазер (фиг.1) содержит корпус 1, образованный внешней цилиндрической металлической оболочкой 2 и установленной эксцентрично ей внутренней цилиндрической диэлектрической оболочкой 3. Корпус лазера с торцов герметично закрыт фланцами 4 и 5 (фиг.3).The described gas laser (Fig. 1) comprises a housing 1 formed by an external
Зазор между оболочками 2 и 3 формирует газодинамический канал 6 для циркуляции активной среды.The gap between the
В наиболее узком сечении газодинамического канала 6 образована проходная плазменная камера 7, представляющая собой участок канала с переменным по его высоте симметричным или асиметричным профилем дугообразной или плоской формы и с угловым раскрытием (фиг.2а и фиг.2б) в направлении течения активной среды. Там же размещен оптический резонатор (фиг.5).In the narrowest section of the gas-dynamic channel 6, a
Величина α углового раскрытия канала определяется двойной толщиной вытесненных ламинарных пограничных слоев (обозначенных на фиг.2а и фиг.2б позицией 22) на верхней и нижней стенках плазменной камеры 7 (т.е. на стенках цилиндрических оболочек 2 и 3), а также длиной (шириной) оптического резонатора вдоль потока активной среды и может быть рассчитана в соответствии с соотношениемThe value of the angular opening of the channel is determined by the double thickness of the extruded laminar boundary layers (indicated by 22 in Fig. 2a and 2b) on the upper and lower walls of the plasma chamber 7 (i.e., on the walls of the
α~2δ*/Lr,α ~ 2δ * / Lr,
гдеWhere
Re - число Reynolds, определяемое как ρuh/ µ, а µ~Т0,75 Re is the number of Reynolds, defined as ρuh / µ, and µ ~ T 0.75
Lr - ширина оптического резонатора,Lr is the width of the optical resonator,
δ* - толщина слоя, равная 1,74 × Re1/2,δ * - layer thickness equal to 1.74 × Re 1/2 ,
ρ - плотность газа,ρ is the gas density,
u - средняя скорость потока,u is the average flow rate,
µ - динамическая вязкость газа в слое,µ is the dynamic viscosity of the gas in the layer,
Т - средняя температура газа в слое,T is the average temperature of the gas in the layer,
h - средняя высота канала.h is the average height of the channel.
При значениях указанных параметров для типичных условий работы CO2 лазера, равных: Re~3000; δ*≅1,5 мм; h=20 мм, угол раскрытия составит 4°, что избавит внутрирезонаторный лазерный пучок от потерь на диссипативных слоях и позволяет увеличить КПД оптического резонатора и, соответственно, суммарное КПД лазера на 1-2%.At the values of the indicated parameters for typical operating conditions of a CO 2 laser equal to: Re ~ 3000; δ * ≅1.5 mm; h = 20 mm, the opening angle is 4 °, which will save the intracavity laser beam from losses on the dissipative layers and can increase the efficiency of the optical resonator and, accordingly, the total laser efficiency by 1-2%.
Электрод 8 выполнен плотно примыкающим своей поверхностью непосредственно к внешней поверхности внутренней цилиндрической диэлектрической оболочки 3 и соединен с резонансно настроенным высокочастотным блоком питания 9.The
Внутренняя поверхность внешней цилиндрической оболочки 2 в зоне образования плазменной камеры 7 изолирована от газового потока и плазмы диэлектрическим слоем 10, а сама внешняя цилиндрическая металлическая оболочка 2 заземлена.The inner surface of the outer
Таким образом, электрод 8 вынесен за пределы камеры 7, в связи с чем камера 7 является "безэлектродной", что и определяет специфику ВЧ накачки в описываемом изобретении.Thus, the
Газодинамический канал 6 разделен перегородкой 11 на участок 12 подачи охлажденной активной среды и участок 13 отвода газового потока после накачки и соединен с обводным каналом 14, в котором расположены охладительный радиатор-теплообменник 15, использующий водяное охлаждение, а также турбокомпрессор 16 центробежного типа, обеспечивающий скорость газового потока порядка 20000 оборотов в минуту и способный создать перепад давления от 1,1 до 1,4.The gas-dynamic channel 6 is divided by a partition 11 into a section 12 for supplying a cooled active medium and a section 13 for removing the gas stream after pumping and is connected to a bypass channel 14, in which there is a cooling radiator-heat exchanger 15 using water cooling, as well as a centrifugal type turbocharger 16, which ensures speed gas flow of the order of 20,000 rpm and capable of creating a pressure drop from 1.1 to 1.4.
Функции этих элементов обычны и сводятся к прогонке лазерного газа через плазменную полость в достаточно необходимом объеме и охлаждении газа после плазменной акции, однако благодаря их техническим характеристикам обеспечивается компактность и экономичность лазера.The functions of these elements are ordinary and come down to driving the laser gas through the plasma cavity in a sufficiently necessary volume and cooling the gas after the plasma action, however, due to their technical characteristics, the laser is compact and economical.
В газодинамическом канале 6 на участке 12 подачи охлажденной активной среды в плазменную камеру 7 установлен выравнивающий экран 17 в виде мелкоячеистой сетки или перфорированного экрана с мелкими отверстиями диаметром 0,1 мм и 50% коэффициентом пропускания, обеспечивающими выравнивание скорости газового потока по сечению газодинамического канала 6.In the gasdynamic channel 6, at the section 12 for supplying the cooled active medium to the
Внешняя цилиндрическая оболочка 2 изготовлена из алюминиевого сплава или из другого электропроводящего материала и выполняет одновременно роль корпуса лазера и роль внешнего электрода, находящегося в электрическом контакте с нагрузкой высокого сопротивления за счет его заземления.The outer
Внутренняя оболочка 3 изготовлена из диэлектрического материала (например, керамики на основе оксида алюминия, композитного материала или полимера) и формирует плазменную камеру 7 с внутренней стороны.The
Внешняя 2 и внутренняя оболочка 3 выполнены с круглыми профилями в поперечных сечениях.
В плазменной камере 7 на внутреннюю поверхность внешней оболочки 2 нанесено диэлектрическое покрытие 10, выполненное в виде диэлектрического слоя с профилем, плотно прилегающим к внутренней поверхности внешней оболочки 2. Покрытие 10 используется в качестве нейтрального материала для увеличения потенциала емкости плазмы, а также в качестве дефлектора, защищающего металлическую поверхность внешней цилиндрической оболочки 2 от воздействия плазмы, а внутренняя диэлектрическая оболочка 3 способствуют стабилизации плазмы.In the
На входе в газодинамический канал 6 установлены дефлекторы 18, а на выходе - дефлекторы 19, позволяющие использовать объем газового потока более экономично, пропуская его непосредственно через область плазмы в камере 7. Кроме того, наличие дефлекторов 18 и 19 позволяет защитить зеркала 20а и 20б оптического резонатора от возможных микроповреждений, вызванных плазменным воздействием и бомбардировкой возможных микрочастиц в газовом потоке.Deflectors 18 are installed at the entrance to the gasdynamic channel 6, and deflectors 19 are installed at the exit, allowing the volume of the gas stream to be used more economically by passing it directly through the plasma region in the
Работа изобретения осуществляется следующим образом.The work of the invention is as follows.
С помощью турбокомпрессора 16 холодный поток А лазерного газа, состоящего из смеси газов [СО2:N2:He] (в случае CO2 лазера), со статическим давлением от 50 до 100 Torr, через выравнивающий экран 17 в виде мелкоячеистой сетки подается в газодинамический канал 6, где создается поток активной газовой среды, огибающий внутреннюю цилиндрическую диэлектрическую оболочку 3.Using a turbocompressor 16, a cold stream A of laser gas, consisting of a mixture of gases [CO 2 : N 2 : He] (in the case of a CO 2 laser), with a static pressure of 50 to 100 Torr, is fed through a leveling screen 17 in the form of a fine mesh gas-dynamic channel 6, where an active gas medium flow is created, enveloping the inner cylindrical
Поток А лазерного газа, проходя между входными дефлекторами 18а и 186, попадает в наиболее узкую область газодинамического канала 6 (в резонансную область), где возбуждается посредством высокочастотного разряда низкого напряжения (порядка 1000 вольт) между электродом 8 и заземленной внешней металлической оболочкой 2.The laser gas stream A, passing between the
При этом происходит ионизация молекул и атомов газа посредством электронной осцилляции в тонких слоях, прилегающих к внешней поверхности внутреннего диэлектрической оболочки 3 и внутренней поверхности диэлектрического слоя внешней оболочки 2, передача энергии колебательным степеням свободы молекул газа, усиление и генерация резонансного излучения между зеркалами 20а и 20б оптической системы с последующим выходом лазерного пучка 21 из оптического резонатора через частично пропускающее зеркало 20б.In this case, the ionization of gas molecules and atoms occurs through electronic oscillation in thin layers adjacent to the outer surface of the inner
Горячий газовый поток Б с температурой порядка 400°К после выхода из плазменной камеры 7 следует вдоль канала 6 и попадает на охладительный радиатор - теплообменник 15. Охлажденный до комнатной температуры газ прокачивается турбокомпрессором 16 и далее в виде потока А подается на повторный цикл.A hot gas stream B with a temperature of the order of 400 ° K after leaving the
Описываемый лазер имеет повышенный КПД, предельно компактен и легок, механически стабилен и технологически прост в изготовлении и эксплуатации. Изобретение открывает реальную возможность создания компактных и высокоэффективных лазеров, использующих такие газовые среды, как смесь СО2:N2:He или смесь СО:Не, а также другие активные лазерные среды.The described laser has an increased efficiency, is extremely compact and lightweight, mechanically stable and technologically simple to manufacture and operate. The invention opens up the real possibility of creating compact and highly efficient lasers using such gas media as a mixture of CO 2 : N 2 : He or a mixture of CO: He, as well as other active laser media.
В частности, CO2 лазер, построенный на основе данного изобретения, имеет следующие данные:In particular, a CO 2 laser based on the present invention has the following data:
Источники информацииInformation sources
1. US 4611327 А, кл. H01S 3/097, 1986;1. US 4,611,327 A, cl.
2. US 4817107 А, Кл. H01S 3/03, 28.03.1989;2. US 4,817,107 A, Cl.
3. "Квантовая электроника", т.4, № 9, 1977 г., стр.1861;3. "Quantum Electronics", t.4, No. 9, 1977, p. 1861;
4. US 4114114 А, кл. H01S 3/097, 12.09.1978.4. US 4,114,114 A, cl.
Claims (18)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009138084/28A RU2411619C1 (en) | 2009-10-15 | 2009-10-15 | High-frequency discharge excited gas laser |
EP10824179A EP2489105A2 (en) | 2009-10-15 | 2010-10-15 | Cylindrical laser with high frequency discharge excitation |
PCT/US2010/052879 WO2011047286A2 (en) | 2009-10-15 | 2010-10-15 | Cylindrical laser with high frequency discharge excitation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009138084/28A RU2411619C1 (en) | 2009-10-15 | 2009-10-15 | High-frequency discharge excited gas laser |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2411619C1 true RU2411619C1 (en) | 2011-02-10 |
Family
ID=43876896
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009138084/28A RU2411619C1 (en) | 2009-10-15 | 2009-10-15 | High-frequency discharge excited gas laser |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP2489105A2 (en) |
RU (1) | RU2411619C1 (en) |
WO (1) | WO2011047286A2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11095088B1 (en) | 2018-02-21 | 2021-08-17 | Zoyka Llc | Multi-pass coaxial molecular gas laser |
RU2812411C1 (en) * | 2023-01-24 | 2024-01-30 | Краснов Юрий | Axial-flow gas laser with raman excitation |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3245958A1 (en) * | 1982-12-11 | 1984-06-14 | Battelle-Institut E.V., 6000 Frankfurt | LASER ARRANGEMENT |
JP2509638B2 (en) * | 1987-10-29 | 1996-06-26 | ファナック株式会社 | RF discharge excitation laser device |
JP2644315B2 (en) * | 1989-01-23 | 1997-08-25 | ファナック株式会社 | High frequency discharge pumped laser device |
JP2006060256A (en) * | 2005-11-07 | 2006-03-02 | Kyocera Corp | Ceramic electrode member |
-
2009
- 2009-10-15 RU RU2009138084/28A patent/RU2411619C1/en active IP Right Revival
-
2010
- 2010-10-15 WO PCT/US2010/052879 patent/WO2011047286A2/en active Application Filing
- 2010-10-15 EP EP10824179A patent/EP2489105A2/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11095088B1 (en) | 2018-02-21 | 2021-08-17 | Zoyka Llc | Multi-pass coaxial molecular gas laser |
RU2812411C1 (en) * | 2023-01-24 | 2024-01-30 | Краснов Юрий | Axial-flow gas laser with raman excitation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2489105A2 (en) | 2012-08-22 |
WO2011047286A2 (en) | 2011-04-21 |
WO2011047286A3 (en) | 2011-08-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6198762B1 (en) | Supersonic and subsonic laser with RF discharge excitation | |
US6430205B2 (en) | Discharge unit for a high repetition rate excimer or molecular fluorine laser | |
US9948055B2 (en) | Gas laser | |
EP1239556A2 (en) | Supersonic and subsonic gas flow in gas lasers with radio frequency excitation | |
CA1188782A (en) | Axial flow laser apparatus | |
JPH0918073A (en) | Microwave exciting gas laser oscillation device | |
EP0852835B1 (en) | Supersonic and subsonic laser with rf discharge excitation | |
RU2411619C1 (en) | High-frequency discharge excited gas laser | |
US20170179668A1 (en) | Gas Flow Laser | |
RU2812411C1 (en) | Axial-flow gas laser with raman excitation | |
Kukiełło et al. | High-power cw CO2 transverse flow laser with a stable multipass cavity: Comparative study | |
JP3088579B2 (en) | Laser device | |
Zimakov et al. | Gas laser for efficient sustaining a continuous optical discharge plasma in scientific and technological applications | |
RU2557327C2 (en) | Gas-discharge excimer laser (versions) | |
JP2003264328A (en) | Waveguide gas laser oscillator | |
JP2004179599A (en) | Discharge-pumped gas laser device | |
RU2117370C1 (en) | Gas-discharge chamber of fast flow laser | |
JPH02129979A (en) | Microwave laser device | |
Atezhev et al. | Nitrogen laser with a pulse repetition rate of 11 kHz and a beam divergence of 0.5 mrad | |
RU2503104C1 (en) | Gas-discharge laser | |
RU2273116C2 (en) | Slit type gas laser | |
JPH01283980A (en) | Laser oscillator | |
JP2001267663A (en) | Discharge excitation gas laser device | |
JPH02133975A (en) | Microwave laser device | |
RU2418740C1 (en) | Ozonising blower with combined gas discharge |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121016 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20140420 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181016 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210701 |
|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20210706 |