RU2733786C1 - Device for discharge excitation in pulse-periodic gas laser - Google Patents

Device for discharge excitation in pulse-periodic gas laser Download PDF

Info

Publication number
RU2733786C1
RU2733786C1 RU2019139128A RU2019139128A RU2733786C1 RU 2733786 C1 RU2733786 C1 RU 2733786C1 RU 2019139128 A RU2019139128 A RU 2019139128A RU 2019139128 A RU2019139128 A RU 2019139128A RU 2733786 C1 RU2733786 C1 RU 2733786C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
discharge
electrodes
pulse
laser
gas
Prior art date
Application number
RU2019139128A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Анатольевич Михеев
Марсель Вакифович Загидуллин
Михаил Иванович Свистун
Анна Руслановна Гильдина
Валерий Николаевич Азязов
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва"
Priority to RU2019139128A priority Critical patent/RU2733786C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2733786C1 publication Critical patent/RU2733786C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: invention relates to the technique of pulsed gas lasers operating on mixtures with high pressure. Improvement consists in using flat electrodes installed in the chamber across the gas flow, at that at least one electrode is divided into sections isolated from each other, and pulse voltage for each of electrodes of section is supplied from separate source of pulses or through individual key. It is proposed to use powerful transistors as switches. Thus, disclosed device for exciting a discharge in a pulse-periodic laser enables to maintain stability and uniformity of plasma discharge, and also to simplify design solutions for implementation of electrodes and power supply circuits of discharge medium. Besides, it becomes possible to use complicated methods of discharge monitoring.
EFFECT: technical result is possibility of maintaining homogeneous plasma in active volume of laser with transverse gas pumping.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике импульсных газовых лазеров, работающих на смесях с высоким давлением.The invention relates to the technique of pulsed gas lasers operating on mixtures with high pressure.

В газоразрядном лазере для получения достаточно большого усиления зачастую требуется значительная протяженность активной среды. В лазере с поперечной прокачкой газа для получения объемного разряда, заполняющего активную среду лазера по всей длине (по всему поперечному сечению газовой камеры вдоль оптической оси), требуется применение протяженных электродов.In a gas-discharge laser, to obtain a sufficiently high gain, a considerable length of the active medium is often required. In a laser with transverse gas circulation, to obtain a volume discharge that fills the active medium of the laser along its entire length (along the entire cross section of the gas chamber along the optical axis), it is necessary to use extended electrodes.

При использовании протяженных электродов для получения электрического разряда в газе возникает ряд трудностей, касающихся поддержания устойчивости и однородности плазменной среды разряда. Главная проблема - высокая вероятность развития нестабильного разряда, при котором образуются стримеры, закорачивающие электроды.When using extended electrodes to obtain an electric discharge in a gas, a number of difficulties arise in maintaining the stability and uniformity of the plasma medium of the discharge. The main problem is the high probability of developing an unstable discharge, in which streamers are formed that short-circuit the electrodes.

В связи с этим требуется применение специальных конструктивных решений, касающихся конструкции кюветы и выбора схемы питания лазера. Повысить устойчивость разряда можно путем использования электродов со специальным профилем.In this regard, it is required to use special design solutions concerning the design of the cell and the choice of the laser power supply circuit. The discharge stability can be increased by using electrodes with a special profile.

Известно устройство «Устройство для возбуждения разряда атмосферного давления в газовом лазере», в котором предлагается использовать электроды, рабочий участок которых имеет профиль Эрнста (патент РФ 2195753, МПК H01S 3/097, опубликован 27.12.2002).Known device "Device for exciting a discharge of atmospheric pressure in a gas laser", in which it is proposed to use electrodes, the working section of which has an Ernst profile (RF patent 2195753, IPC H01S 3/097, published on 27.12.2002).

Недостатком подобного технического решения является сложность изготовления электродов, в особенности соблюдение таких параметров как радиус кривизны закругления электрода и протяженность рабочего участка электрода.The disadvantage of this technical solution is the complexity of the manufacture of electrodes, in particular the observance of such parameters as the radius of curvature of the curvature of the electrode and the length of the working section of the electrode.

Известны устройства для возбуждения разряда в импульсном газовом лазере, содержащие, кроме основных электродов, также и дополнительные электроды. Предионизация осуществляется за счет возникновения слаботочного разряда между дополнительным электродом, который изолирован от газового разряда, и одним из основных электродов. Формируется тонкий слой ионизованного газа вдоль всей поверхности электрода, и равномерно распределенные в тонком слое газа электроны становятся источниками мощного быстро развивающегося диффузного основного разряда (патент РФ 1840807, МПК H01S 3/09, опубликован 10.12.2010).Known devices for exciting a discharge in a pulsed gas laser, containing, in addition to the main electrodes, also additional electrodes. Predionization is carried out due to the occurrence of a low-current discharge between the additional electrode, which is isolated from the gas discharge, and one of the main electrodes. A thin layer of ionized gas is formed along the entire surface of the electrode, and electrons uniformly distributed in a thin layer of gas become sources of a powerful rapidly developing diffuse main discharge (RF patent 1840807, IPC H01S 3/09, published on 10.12.2010).

Недостаток устройства заключается в жестких требованиях к тщательности исполнения основных элементов конструкции кюветы.The disadvantage of the device lies in the strict requirements for the thoroughness of the execution of the main elements of the cell design.

Известно устройство, в котором равномерность распределения разряда по активной среде лазера достигается зажиганием вдоль основных электродов множества макроканалов повышенной электронной плотности. Фактически, этот способ обеспечивает не однородный объемный разряд, а равномерное расположение неоднородностей разряда (макроканалов) вдоль электрода (патент РФ 2321119, МПК H01S 3/097, опубликован 27.03.2008).A device is known in which the uniformity of the discharge distribution over the active medium of the laser is achieved by ignition along the main electrodes of a plurality of macrochannels of increased electron density. In fact, this method does not provide a uniform volumetric discharge, but a uniform arrangement of discharge inhomogeneities (macrochannels) along the electrode (RF patent 2321119, IPC H01S 3/097, published 03/27/2008).

Недостаток метода заключается в необходимости обеспечения скорости зажигания разряда не менее dj/dt≥6×1011А/см2, что создает конструктивные сложности в изготовлении разрядного контура, соответствующего необходимой для поддержания скорости зажигания разряда плотности тока.The disadvantage of this method is the need to ensure the ignition rate of the discharge is not less than dj / dt≥6 × 10 11 A / cm 2 , which creates structural difficulties in the manufacture of a discharge circuit corresponding to the current density required to maintain the discharge ignition rate.

В схемах питания импульсно-периодических лазеров, для получения мощных коротких импульсов, как правило, используются тиратроны. Известно устройство, где лазер содержит импульсную схему питания с накопительной емкостью и коммутатор в виде тиратрона. При разработке лазера стремились получить возможно более высокую скорость следования импульсов длительностью 10 нс (патент РФ 2249282, МПК H01S 3/038, опубликован 27.03.2005).In power supply circuits of repetitively pulsed lasers, thyratrons are usually used to obtain high-power short pulses. A device is known where the laser contains a pulsed power supply circuit with a storage capacity and a switch in the form of a thyratron. When developing a laser, an attempt was made to obtain the highest possible pulse repetition rate of 10 ns duration (RF patent 2249282, IPC H01S 3/038, published on March 27, 2005).

Недостатком подобной схемы питания является то, что достигнутая частота следования импульсов не превышает 2000 Гц, что явно недостаточно для некоторых типов газоразрядных лазеров.The disadvantage of such a power supply circuit is that the achieved pulse repetition rate does not exceed 2000 Hz, which is clearly insufficient for some types of gas-discharge lasers.

Наиболее близким аналогом является устройство, электродная система в газоразрядной камере которого содержит секционированные анод и катод для создания стационарного разряда в поперечном потоке газа. Электродная система состоит из секционированных катода и анода, нагруженных на балластные сопротивления. Секции анода выполнены в форме тонких пластин, а секции катода - из игл или штырей. Данное устройство было использовано в качестве прототипа (патент РФ 2370924, МПК Н05Н 1/24, опубликован 20.10.2009).The closest analogue is a device, the electrode system in the gas-discharge chamber of which contains a sectioned anode and a cathode for creating a stationary discharge in a transverse gas flow. The electrode system consists of a sectioned cathode and anode loaded with ballast resistors. The anode sections are made in the form of thin plates, and the cathode sections are made of needles or pins. This device was used as a prototype (RF patent 2370924, IPC Н05Н 1/24, published on 20.10.2009).

Недостатком прототипа является способ питания электродов -посредством использования единого генератора. Это требует снабжения подобной схемы мощными ключами, которые имеют неэффективные частотные характеристики.The disadvantage of the prototype is the way to power the electrodes by using a single generator. This requires supplying such a circuit with powerful switches that have ineffective frequency characteristics.

Целью предложенного устройства является организация разряда за счет усовершенствования конструкции электродов, упрощения конструкции кюветы и устранения недостатков предыдущих разработок, связанных с очевидными конструктивными сложностями и неоднородностями активной среды лазера с поперечной конфигурацией прокачки газа.The purpose of the proposed device is to organize the discharge by improving the design of the electrodes, simplifying the design of the cuvette, and eliminating the drawbacks of previous developments associated with the obvious design difficulties and inhomogeneities of the active medium of a laser with a transverse gas flow configuration.

В предложенном устройстве кювета для импульсных газовых лазеров высокого давления с поперечным разрядом содержит два плоских параллельных электрода основного разряда - катод и анод. При этом по крайней мере один из электродов состоит из изолированных друг от друга секций. Причем импульсное напряжение, питающее разряд, подается на каждую из секций электрода через отдельный ключ. Технический результат - повышение устойчивости разряда и обеспечение возможности масштабирования лазера.In the proposed device, the cell for high-pressure pulsed gas lasers with a transverse discharge contains two flat parallel electrodes of the main discharge - the cathode and the anode. In this case, at least one of the electrodes consists of sections isolated from each other. Moreover, the pulse voltage supplying the discharge is supplied to each of the electrode sections through a separate switch. The technical result is to increase the stability of the discharge and ensure the possibility of scaling the laser.

В предложенном устройстве для организации разряда в отличие от прототипа с целью упрощения изготовления, решено использовать плоские электроды вместо предложенных в прототипе тонких пластин и игл. Кроме того, предлагается изменить способ питания электродов камеры. В прототипе импульсное напряжение питания подается на секции электродов через балластные сопротивления от единого генератора. В предлагаемом нами способе напряжение на каждую секцию электрода поступает от отдельного генератора. Это позволит использовать в генераторе менее мощные ключи-коммутаторы и облегчить их температурный режим. Кроме того, менее мощные ключи, как правило, обладают лучшими частотными характеристиками по сравнению с мощными аналогами. Возможность управления моментом и длительностью включения каждой из секций позволяет использовать усложненные методы контроля разряда.In the proposed device for organizing the discharge, in contrast to the prototype, in order to simplify manufacture, it was decided to use flat electrodes instead of the thin plates and needles proposed in the prototype. In addition, it is proposed to change the way the camera electrodes are supplied. In the prototype, a pulsed supply voltage is supplied to the electrode sections through ballast resistors from a single generator. In our proposed method, the voltage for each section of the electrode is supplied from a separate generator. This will allow using less powerful switch switches in the generator and facilitate their temperature regime. In addition, less powerful switches tend to have better frequency characteristics than powerful counterparts. The ability to control the torque and duration of each section enables the use of sophisticated discharge control methods.

Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости разряда и обеспечение за счет этого возможности масштабирования лазера за счет увеличения объема активной среды.The technical result of the invention is to increase the stability of the discharge and thereby ensure the possibility of scaling the laser by increasing the volume of the active medium.

Технический результат достигается за счет того, что была усовершенствована известная газоразрядная камера для создания низкотемпературной неравновесной плазмы при атмосферном давлении, содержащая электродную систему из штыревых катодов и секций анода с протоком газа в межэлектродном промежутке. Усовершенствование заключается в том, что используются плоские электроды, установленные в камере поперечно газовому потоку, при этом по крайне мере один электрод разделен на секции, изолированные друг от друга, а импульсное напряжение на каждый из электродов секции подается от отдельного источника импульсов, либо через индивидуальный ключ. В качестве ключей предлагается использовать мощные транзисторы.The technical result is achieved due to the fact that the known gas-discharge chamber has been improved to create a low-temperature nonequilibrium plasma at atmospheric pressure, containing an electrode system of pin cathodes and anode sections with a gas flow in the interelectrode gap. The improvement consists in the fact that flat electrodes are used, installed in the chamber transverse to the gas flow, while at least one electrode is divided into sections, isolated from each other, and a pulse voltage is applied to each of the electrodes of the section from a separate pulse source, or through an individual key. It is proposed to use powerful transistors as keys.

Сущность предложенного устройства поясняется чертежом (рис. 1), на котором показана общая схема предлагаемой организации разряда. Высоковольтные импульсы от генераторов ГИ 1 - ГИ N подаются на секции С 1 - С N электрода Э1, отделенные друг от друга изолирующими вставками И. Каждая секция электрода электрически соединена с отдельным генератором. Длительность и частота следования импульсов генераторов ГИ 1 - ГИ N задаются генератором задающих импульсов ЗГ. Импульсные генераторы ГИ питаются от источника питания ИП. Амплитуда импульса на выходе импульсного генератора ГИ определяется величиной выходного напряжения источника питания ИП. Поток газа прокачивается в межэлектродном промежутке, образованном электродами Э1 и Э2.The essence of the proposed device is illustrated by a drawing (Fig. 1), which shows a general diagram of the proposed organization of the discharge. High-voltage pulses from the GI 1 - GI N generators are fed to sections C 1 - C N of the electrode E1, separated from each other by insulating inserts I. Each section of the electrode is electrically connected to a separate generator. The duration and repetition rate of the pulses of the generators GI 1 - GI N are set by the generator of the master pulses of the MO. GI pulse generators are powered from a power supply source. The amplitude of the pulse at the output of the GI pulse generator is determined by the value of the output voltage of the MT power supply. The gas flow is pumped in the interelectrode gap formed by the electrodes A1 and A2.

Таким образом, предлагаемое устройство для возбуждения разряда позволяет поддерживать устойчивость и однородность плазменного разряда, а также упростить конструктивные решения реализации электродов и схемы питания разрядной среды. К тому же становится возможным применение усложненных методов контроля разряда.Thus, the proposed device for exciting the discharge allows you to maintain the stability and uniformity of the plasma discharge, as well as to simplify the design solutions for the implementation of electrodes and the power supply circuit of the discharge medium. In addition, it becomes possible to use sophisticated methods of monitoring the discharge.

Claims (1)

Устройство возбуждения разряда в газоразрядной камере, электродная система которого состоит из плоских электродов, установленных в камере поперечно газовому потоку в межэлектродном промежутке, отличающееся тем, что по крайней мере один электрод разделен на секции, изолированные друг от друга, а импульсное напряжение на каждую секцию подается от отдельного источника импульсов либо через индивидуальный ключ.Discharge excitation device in a gas discharge chamber, the electrode system of which consists of flat electrodes installed in the chamber transverse to the gas flow in the interelectrode gap, characterized in that at least one electrode is divided into sections, isolated from each other, and a pulse voltage is applied to each section from a separate source of impulses or through an individual key.
RU2019139128A 2019-11-29 2019-11-29 Device for discharge excitation in pulse-periodic gas laser RU2733786C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019139128A RU2733786C1 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Device for discharge excitation in pulse-periodic gas laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019139128A RU2733786C1 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Device for discharge excitation in pulse-periodic gas laser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2733786C1 true RU2733786C1 (en) 2020-10-06

Family

ID=72927172

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019139128A RU2733786C1 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Device for discharge excitation in pulse-periodic gas laser

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2733786C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3722323A1 (en) * 1987-07-07 1989-01-19 Herfurth Gmbh Oscillator for supplying a gas-discharge path
US5107510A (en) * 1989-09-29 1992-04-21 Seguin Herb J J Apparatus and method for burst-mode operation of a pulsed laser
RU2249282C1 (en) * 2003-07-15 2005-03-27 Генесто Инк. Excimer laser
RU2321119C2 (en) * 2005-06-27 2008-03-27 Институт сильноточной электроники СО РАН Excimer laser and method for stimulating its lasing
RU2370924C2 (en) * 2007-10-26 2009-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" (ФГУП "ГНЦ РФ ТРИНИТИ") Gas discharge chamber for generating low-temperature nonequilibrium plasma

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3722323A1 (en) * 1987-07-07 1989-01-19 Herfurth Gmbh Oscillator for supplying a gas-discharge path
US5107510A (en) * 1989-09-29 1992-04-21 Seguin Herb J J Apparatus and method for burst-mode operation of a pulsed laser
RU2249282C1 (en) * 2003-07-15 2005-03-27 Генесто Инк. Excimer laser
RU2321119C2 (en) * 2005-06-27 2008-03-27 Институт сильноточной электроники СО РАН Excimer laser and method for stimulating its lasing
RU2370924C2 (en) * 2007-10-26 2009-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" (ФГУП "ГНЦ РФ ТРИНИТИ") Gas discharge chamber for generating low-temperature nonequilibrium plasma

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3931589A (en) Perforated wall hollow-cathode ion laser
Reilly Pulser/sustainer electric‐discharge laser
US3886479A (en) Electrode systems for gas discharge devices particularly gas lasers
CN107979907B (en) Atmospheric pressure dielectric barrier discharge enhanced DC alternating electrode low-temperature plasma jet array
US4105952A (en) High repetition rate pulsed laser discharge system
JPH0212035B2 (en)
US5107510A (en) Apparatus and method for burst-mode operation of a pulsed laser
US4080578A (en) D.C. Excitation of high pressure gas lasers
RU2733786C1 (en) Device for discharge excitation in pulse-periodic gas laser
Letardi et al. Large area X-ray preionizer for electric discharge lasers
US3588740A (en) Pulsed gas ion laser
Myshenkov et al. Prospects for using high-frequency capacitative discharges in lasers
US3798570A (en) Laser system incorporating a field effect emitter
US4024465A (en) Generation of corona for laser excitation
RU2517796C1 (en) Apparatus for generating volumetric self-sustained discharge
Kirkici et al. Operating characteristics of a segmented hollow cathode over a wide pressure range
Panchenko et al. Pulsed gas lasers pumped by a runaway electron initiated discharge
Li et al. Pulsed chemical oxygen iodine lasers excited by pulse gas discharge with the assistance of surface sliding discharge pre-ionization
Harry et al. Multiple electrode system for high power CO2 laser excitation
Foroutan Study of VUV Emission From Xe–Ne Microhollow Cathode Discharge in the Self-Pulsing Regime
RU2162263C2 (en) Self-maintained space discharge shaping device
RU189839U1 (en) GENERATOR OF HIGH-FREQUENCY PULS BASED ON DISCHARGE WITH A COMPLETE CATHODE
EP0014069B1 (en) Cw or quasi cw planar electrode laser apparatus
JPS6321882A (en) Excimer laser
US20140003459A1 (en) Pre-irradiation in gas discharge lasing devices using multiple pre-irradiation discharges per electrical feed-through