RU2773619C1

RU2773619C1 - Slit-type gas laser

Info

Publication number: RU2773619C1
Application number: RU2021117906A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Дутов; Владимир Фёдорович Лазукин; Анатолий Тимофеевич Подкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Сервотехника"
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2022-06-06

Abstract

FIELD: quantum electronics.

SUBSTANCE: invention relates to quantum electronics, namely to slit-type gas lasers with high-frequency excitation of the active medium, in particular sealed slit CO₂ lasers. A slit-type gas laser contains a high-frequency pumping unit with self-oscillators and a cooled sealed housing filled with an active gas medium. The housing is equipped with a resonator in the form of mirrors at its ends and a discharge gap formed between the planar electrodes. The electrodes are installed inside the housing through heat-conducting electrically insulating ceramic plates and connected via current leads to the specified pumping unit. The housing is made in the form of a box frame with upper and lower covers. The electrodes are fixed on these covers with holders with insulating ceramic elements that rest against the inclined surfaces formed on the sides of the electrodes to form a sliding contact.

EFFECT: invention makes it possible to reduce thermal deformations during laser operation.

15 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно, к газовым лазерам щелевого типа с высокочастотным возбуждением активной среды, в частности, отпаянным щелевым СО₂ лазерам.The invention relates to quantum electronics, namely, to slit-type gas lasers with high-frequency excitation of the active medium, in particular, sealed-off slit CO ₂ lasers.

Из уровня техники известны щелевые лазеры, включающие в себя пару протяженных охлаждаемых металлических электродов, образующих щелевой разрядный промежуток с активной средой, в котором возбуждается поперечный высокочастотный разряд, а также зеркала резонатора, установленные вблизи торцов электродов разрядного промежутка. Щелевой разрядный промежуток является одновременно и световодом, в котором излучение распространяется как в волноводе вдоль электродов и свободно распространяется в поперечном направлении. Комбинация волноводного и неволноводного распространения излучения позволяет реализовать высокие плотности мощности накачки активной среды и соответственно получить высокие уровни мощности генерации излучения (см. US4719639, кл. H01S3/03, опубл. 12.01.1988; US4939738, кл. H01S3/0315, опубл.03.07.1990).Slit lasers are known from the prior art, including a pair of extended cooled metal electrodes forming a slotted discharge gap with an active medium in which a transverse high-frequency discharge is excited, as well as resonator mirrors installed near the ends of the discharge gap electrodes. The slotted discharge gap is also a light guide, in which the radiation propagates, as in a waveguide, along the electrodes and freely propagates in the transverse direction. The combination of waveguide and non-waveguide radiation propagation makes it possible to realize high pump power densities of the active medium and, accordingly, to obtain high levels of radiation generation power (see US4719639, class H01S3/03, publ. 12.01.1988; US4939738, class H01S3/0315, publ.03.07 .1990).

В известных щелевых лазерах используются, как правило, неустойчивые резонаторные схемы отрицательной ветви неустойчивости (см. US5048048, кл. H01S3/03, опубл. 10.09.1991; US5123028, кл. H01S3/03, 16.06.1992; RU2124790, кл. H01S3/02, опубл.10.01.1999). Резонатор состоит двух вогнутых зеркал с фокусом внутри резонатора. Этот тип неустойчивого резонатора отличается низкой чувствительностью к разъюстировкам, что важно для технологических лазеров.In known slot lasers, as a rule, unstable resonator circuits of the negative branch of instability are used (see US5048048, class H01S3/03, publ. 09/10/1991; US5123028, class H01S3/03, 06/16/1992; RU2124790, class H01S3/ 02, publ. 10.01.1999). The resonator consists of two concave mirrors with a focus inside the resonator. This type of unstable resonator is characterized by low sensitivity to misalignments, which is important for technological lasers.

Известные щелевые СО₂ лазеры не свободны от недостатков. Так, успех использования лазеров высокой мощности для обработки материалов сильно зависит от оптического качества луча, т.е. от модового состава и расходимости луча. В лазерах со щелевой активной средой плоские поверхности электродов образуют оптический волновод с характерным размером по высоте зазора 1,5 - 3 мм, что в теории должно приводить к формированию преимущественно моды низкого порядка в волноводном направлении. Однако на практике в щелевых лазерах генерируются также моды высокого порядка, что приводит к резкому увеличению расходимости луча. К этому приводят некоторые физические причины, например, неоднородность активной среды и коэффициента преломления, и особенно, искажение модового состава при взаимодействии волны с торцами электродов разрядного промежутка и с поверхностью зеркал, а также термодеформации электродов и оптических элементов - зеркал резонатора и окна.Known slotted CO ₂ lasers are not free from disadvantages. Thus, the success of using high-power lasers for material processing strongly depends on the optical quality of the beam, i.e. on the mode composition and beam divergence. In lasers with a slit active medium, the flat surfaces of the electrodes form an optical waveguide with a characteristic dimension of 1.5±3 mm along the gap height, which in theory should lead to the formation of a predominantly low-order mode in the waveguide direction. However, in practice, high-order modes are also generated in slit lasers, which leads to a sharp increase in beam divergence. This is caused by some physical reasons, for example, the inhomogeneity of the active medium and the refractive index, and especially the distortion of the mode composition during the interaction of the wave with the ends of the electrodes of the discharge gap and with the surface of the mirrors, as well as thermal deformation of the electrodes and optical elements - resonator mirrors and windows.

Существенную роль в работе щелевых газовых лазеров играют тепловые процессы. Поскольку в разрядный промежуток вводятся значительные мощности (10 - 100 Вт/см³), возникают серьезные проблемы с отводом тепла, т.к. с излучением выводится обычно около 10 % мощности (электрооптический КПД), а остальная мощность должна выводиться путем охлаждения разрядных электродов и корпуса лазера. Реально надо отводить от 1 кВт до нескольких кВт в зависимости от того, на какую мощность в излучении рассчитан конкретный лазер.Thermal processes play an important role in the operation of slit gas lasers. Since significant powers (10 - 100 W/cm ³ ) are introduced into the discharge gap, there are serious problems with heat removal, since with radiation, usually about 10% of the power is output (electro-optical efficiency), and the rest of the power must be output by cooling the discharge electrodes and the laser housing. In reality, it is necessary to divert from 1 kW to several kW, depending on what power in the radiation a particular laser is designed for.

На практике существуют два типа охлаждения - воздушное и водяное. Воздушная система (вентиляторы) применяется для маломощных генераторов света - обычно до 50 Вт в излучении. Большинство щелевых лазеров с водяным охлаждением имеют разрядные электроды с впаянными в них трубками, которые выходят из корпуса лазера через «развязывающие» элементы, например, керамические втулки. Эти конструкции требуют хорошей вакуумной герметичности, т.к. даже незначительные утечки воды или попадание воздуха в корпус лазера приводят к быстрому и существенному уменьшению времени жизни активной среды, падению мощности излучения и падению ресурса работы лазера в отпаянном режиме.In practice, there are two types of cooling - air and water. The air system (fans) is used for low-power light generators - usually up to 50 W in radiation. Most water-cooled slit lasers have discharge electrodes with tubes soldered into them that exit the laser housing through "decoupling" elements such as ceramic bushings. These designs require good vacuum tightness, as even minor water leaks or air ingress into the laser housing leads to a rapid and significant decrease in the lifetime of the active medium, a drop in the radiation power, and a decrease in the service life of the laser in the sealed off mode.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является газовый лазер щелевого типа, содержащий блок высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, заполненный активной газовой средой, с резонатором в виде зеркал на его торцах и разрядным промежутком, который образован между планарными электродами, установленными внутри корпуса через теплопроводящие изолирующие керамические пластины и подключенными через токовводы к указанному блоку накачки (см. US6195379, кл. H01S3/03, опубл. 27.02.2001). Теплопроводная керамика используется в известном устройстве для развязки электродов по теплу и по электроизоляции от заземленного корпуса. При этом важную роль играют конструктивные особенности, в частности обеспечение хорошего теплового контакта между электродами и стенками корпуса лазера, а также необходимость избежать электрического пробоя между потенциальным электродом и заземленным корпусом. В указанном устройстве это достигается за счет сложной конфигурации корпуса и использования трудоемких операций сборки лазера. Другим недостатком известной конструкции является относительно высокие термодеформации электродов при нагреве лазера в рабочем состоянии, что влияет на прохождение света по волноводу и приводит к появлению нежелательных мод излучения и ухудшению расходимости луча.The closest in technical essence to the proposed solution is a slit-type gas laser containing a high-frequency pump unit with self-oscillators and a cooled sealed housing filled with an active gas medium, with a resonator in the form of mirrors at its ends and a discharge gap, which is formed between planar electrodes installed inside case through heat-conducting insulating ceramic plates and connected through current leads to the specified pumping unit (see US6195379, cl. H01S3/03, publ. 27.02.2001). Thermally conductive ceramics are used in a known device for decoupling electrodes in terms of heat and electrical insulation from a grounded housing. In this case, design features play an important role, in particular, ensuring good thermal contact between the electrodes and the walls of the laser housing, as well as the need to avoid electrical breakdown between the potential electrode and the grounded housing. In this device, this is achieved through the complex configuration of the housing and the use of labor-intensive laser assembly operations. Another disadvantage of the known design is the relatively high thermal deformation of the electrodes when the laser is heated in working condition, which affects the passage of light through the waveguide and leads to the appearance of unwanted radiation modes and deterioration of the beam divergence.

Технической проблемой является устранение вышеуказанных недостатков и создание простой и надёжной конструкции щелевого лазера с эффективным теплосъёмом. Технический результат заключается в снижении термодеформации при работе лазера. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что у газового лазера щелевого типа, содержащего блок высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, заполненный активной газовой средой, с резонатором в виде зеркал на его торцах и разрядным промежутком, который образован между планарными электродами, установленными внутри корпуса через теплопроводящие электроизолирующие керамические пластины и подключенными через токовводы к указанному блоку накачки, корпус выполнен в виде коробчатой рамы с верхней и нижней крышками, а электроды закреплены на указанных крышках с помощью держателей с изолирующими керамическими элементами, которые упираются в сформированные по бокам электродов наклонные поверхности с образованием скользящего контакта. Блок накачки предпочтительно снабжён корытообразным кожухом, прикреплённым днищем вверх к нижней крышке корпуса, внутри которого расположен, по меньшей мере, один автогенератор. Лазер может быть снабжён несколькими парами электродов, каждая из которых соединена со своим автогенератором, расположенным в едином кожухе. Электроды предпочтительно снабжены ответными симметрирующими кронштейнами для подключения токовводов блока накачки, выполненными таким образом, чтобы обеспечить одинаковый путь для тока и одинаковую индуктивность для обоих электродов. К электродам предпочтительно подключены индуктивности, создающие вместе с межэлектродной ёмкостью и ёмкостью самих электродов электрический LC контур с частотой резонанса, соответствующей частоте накачки. Охлаждение корпуса может быть реализовано в виде трубок, впаянных вдоль крышек напротив электродов с наружной стороны корпуса. Указанные трубки предпочтительно проходят через теплообменник, расположенный в блоке накачки и охлаждающий автогенератор. Лазер предпочтительно снабжён внешней формирующей оптической системой, установленной на верхней крышке корпуса и преобразующей лазерный пучок, выходящий из резонатора, в гауссов пучок с одинаковыми расходимостями по двум координатам. Указанная внешняя формирующая оптическая система предпочтительно снабжена пространственным фильтром в виде диафрагмы, охлаждаемой указанными трубками. На каждом электроде перпендикулярно оптической оси резонатора предпочтительно выполнены канавки, образующие внутренний пространственный фильтр для лазерного излучения. Резонатор может быть выполнен в виде неустойчивого резонатора отрицательной или положительной ветви неустойчивости. В качестве газовой среды предпочтительно использована, по меньшей мере, двухкомпонентная смесь газов, содержащая СО₂, N_2, He, Xe, СО и/или Ar. Охлаждение корпуса также может быть реализовано посредством обдува воздухом. Рама и крышки корпуса предпочтительно герметично соединены через индиевое уплотнение.The technical problem is to eliminate the above disadvantages and create a simple and reliable design of a slit laser with efficient heat removal. The technical result is to reduce thermal deformation during laser operation. The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that a slit-type gas laser containing a high-frequency pumping unit with self-oscillators and a cooled sealed housing filled with an active gas medium, with a resonator in the form of mirrors at its ends and a discharge gap that is formed between the planar electrodes installed inside the housing through heat-conducting electrically insulating ceramic plates and connected through current leads to the specified pumping unit, the housing is made in the form of a box-shaped frame with top and bottom covers, and the electrodes are fixed on these covers using holders with insulating ceramic elements that abut against the formed on the sides electrodes inclined surfaces with the formation of a sliding contact. The pumping unit is preferably provided with a trough-shaped casing attached with its bottom upwards to the bottom cover of the casing, inside which at least one oscillator is located. The laser can be equipped with several pairs of electrodes, each of which is connected to its own self-oscillator located in a single casing. The electrodes are preferably provided with reciprocal balancing brackets for connecting the current leads of the pumping unit, made in such a way as to provide the same path for the current and the same inductance for both electrodes. Preferably, inductances are connected to the electrodes, which, together with the interelectrode capacitance and the capacitance of the electrodes themselves, create an electric LC circuit with a resonance frequency corresponding to the pump frequency. Cooling of the housing can be implemented in the form of tubes soldered along the covers opposite the electrodes on the outer side of the housing. Said tubes preferably pass through a heat exchanger located in the pumping unit and a cooling oscillator. The laser is preferably equipped with an external shaping optical system mounted on the top cover of the housing and converting the laser beam leaving the resonator into a Gaussian beam with equal divergences in two coordinates. Said external shaping optical system is preferably provided with a spatial filter in the form of a diaphragm cooled by said tubes. On each electrode, grooves are preferably made perpendicular to the optical axis of the resonator, forming an internal spatial filter for laser radiation. The resonator can be made in the form of an unstable resonator of the negative or positive branch of instability. Preferably, at least a two-component gas mixture containing CO ₂ , N _{2 ,} He, Xe, CO and/or Ar is used as the gaseous medium. Cooling of the housing can also be realized by blowing air. The frame and housing covers are preferably hermetically connected through an indium seal.

На фиг.1 представлена поэлементная схема сборки предлагаемого газового лазера;Figure 1 shows the element-by-element assembly of the proposed gas laser;

на фиг.2 - его высокочастотный блок, вид снизу;figure 2 - its high-frequency unit, bottom view;

на фиг.3 - устройство в сборе, вид сбоку;figure 3 - device assembly, side view;

на фиг.4 - узел подключения электродов к автогенератору;figure 4 - node for connecting the electrodes to the oscillator;

на фиг.5 - поэлементная схема сборки электродов с крышкой корпуса;figure 5 - element-by-element diagram of the assembly of electrodes with a housing cover;

на фиг.6 - электрод с крышкой в сборе, общий вид;figure 6 - electrode with a cover assembly, General view;

на фиг.7 - то же, что на фиг.6 в разрезе;figure 7 is the same as in figure 6 in section;

на фиг.8 - узел А по фиг.7.figure 8 - node A in figure 7.

Газовый лазер щелевого типа выполнен в охлаждаемом корпусе, образованном коробчатой рамой 1 с независимыми верхней и нижней крышками 2, герметично соединенными через индиевое уплотнение 3. Такая конструкция корпуса позволяет уменьшить деформацию, обусловленную нагревом разных электродов и компенсировать её за счёт незначительных изгибов рамы 1 без потери общей геометрии оптической системы. Корпус через штуцер 4 заполнен активной газовой средой в виде, по меньшей мере, двухкомпонентной смеси газов, содержащей СО₂, N_2,He, Xe, СО и/или Ar.The slit-type gas laser is made in a cooled housing formed by a box-shaped frame 1 with independent upper and lower covers 2 hermetically connected through an indium seal 3. This housing design makes it possible to reduce the deformation caused by heating of different electrodes and compensate for it due to slight bends of the frame 1 without loss general geometry of the optical system. The housing through the fitting 4 is filled with an active gaseous medium in the form of at least a two-component mixture of gases containing CO ₂ , N _{2 ,} He, Xe, CO and/or Ar.

Внутри корпуса через восемь теплопроводящих электроизолирующих керамических пластин 5 (например, из нитрида алюминия) установлены планарные электроды 6 из алюминиевого сплава, образующие разрядный промежуток. Благодаря пластинам 5 между потенциальным электродом 6 и заземлённой крышкой 2 корпуса остается зазор величиной порядка 0,4-0,6 мм, который по закону Пашена не дает возможности развиваться разряду между ними.Inside the housing, through eight heat-conducting electrically insulating ceramic plates 5 (for example, made of aluminum nitride), planar electrodes 6 made of aluminum alloy are installed, forming a discharge gap. Thanks to the plates 5, a gap of about 0.4-0.6 mm remains between the potential electrode 6 and the grounded cover 2 of the housing, which, according to the Paschen law, does not allow the discharge between them to develop.

Электроды 6 по всему периметру закреплены на крышках 2 с помощью держателей 7 с изолирующими керамическими элементами 8 толщиной 3 мм. Держатели 7 упираются в сформированные по бокам электродов 6 наклонные поверхности (выполненные с углом наклона 15-25° к крышке 2) с образованием скользящего контакта. Такая конструкция позволяет регулировать силу прижима и уменьшить термодеформацию, т. к. держатели 7 не создают чрезмерного давления на электрод 6, и он может проскальзывать под керамическим элементом 8 при нагреве и расширении. The electrodes 6 around the entire perimeter are fixed on the covers 2 with the help of holders 7 with insulating ceramic elements 8 3 mm thick. The holders 7 abut against the inclined surfaces formed on the sides of the electrodes 6 (made with an angle of inclination of 15-25° to the cover 2) with the formation of a sliding contact. This design allows you to adjust the pressing force and reduce thermal deformation, since the holders 7 do not create excessive pressure on the electrode 6, and it can slip under the ceramic element 8 during heating and expansion.

На каждом электроде 6 перпендикулярно оптической оси резонатора выполнены канавки 9. Набор канавок 9 глубиной 2 мм и шириной 2 мм работает как внутренний пространственный фильтр и служит улучшению оптического качества лазерного излучения. Как следует из результатов компьютерного моделирования, основная мода излучения будет терять около 0,01 % энергии, тогда как третья и пятая моды будут ослаблены соответственно в семь и двенадцать раз больше.Grooves 9 are made on each electrode 6 perpendicular to the optical axis of the resonator. A set of grooves 9 2 mm deep and 2 mm wide works as an internal spatial filter and improves the optical quality of laser radiation. As follows from the results of computer simulations, the fundamental radiation mode will lose about 0.01% of the energy, while the third and fifth modes will be attenuated seven and twelve times more, respectively.

С наружной стороны корпуса в вдоль крышек 2 напротив электродов 6 впаяны трубки 10, по которым циркулирует жидкий теплоноситель. Такая конструкция исключает возможность попадания охлаждающей воды в вакуумированный разрядный промежуток и значительно повышает надёжность и долговечность лазера. В альтернативном варианте охлаждение может быть реализовано посредством обдува воздухом, однако далее этот вариант не рассматривается.On the outer side of the housing along the covers 2 opposite the electrodes 6, tubes 10 are soldered, through which the liquid heat carrier circulates. Such a design eliminates the possibility of cooling water getting into the evacuated discharge gap and significantly increases the reliability and durability of the laser. Alternatively, cooling can be achieved by blowing air, but this option is not discussed further.

Корпус лазера установлен сверху на корытообразном кожухе 11 блока высокочастотной накачки, который является жёстким основанием для крепления всего лазера с помощью крепёжных элементов. В кожухе 11 расположен один или несколько автогенераторов 12, каждый из которых соединён со своей парой электродов 6, и теплообменник 13, к которому подведены трубки 10. В щелевых лазерах для накачки активной среды используются, как правило, мощные высокочастотные генераторы, работающие на частотах в диапазоне 40,68 – 125 МГц. Известно, что частота 81,36 МГц оптимальна для зазоров разрядного промежутка 1,7-3,0 мм (см. P. Vitruk et al., ”Similarity and scaling in diffusion-cooled RF-excited carbon dioxide lasers,” IEEE J. QE-30,N7, 1994, pp.1623-1634).The laser body is mounted on top of the trough-shaped casing 11 of the high-frequency pumping unit, which is a rigid base for mounting the entire laser using fasteners. One or more self-oscillators 12 are located in the casing 11, each of which is connected to its own pair of electrodes 6, and a heat exchanger 13, to which tubes 10 are connected. As a rule, powerful high-frequency generators operating at frequencies of range 40.68 - 125 MHz. It is known that a frequency of 81.36 MHz is optimal for discharge gaps of 1.7-3.0 mm (see P. Vitruk et al., “Similarity and scaling in diffusion-cooled RF-excited carbon dioxide lasers,” IEEE J. QE-30, N7, 1994, pp. 1623-1634).

Предлагаемая конструкция высокочастотного блока очень компактна. Автогенераторы 12, подключенные к электродам 6 с единым разрядным промежутком работают синфазно, благодаря своим цепям обратной связи. За счёт этого достигается стабильность поджига разряда и однородность вклада мощности по всей длине электродов 6, что является существенным преимуществом по отношению к несимметричным схемам возбуждения активной среды щелевых лазеров. Это же свойство позволяет значительно увеличивать длину и площадь электродов 6, добавляя соответственное количество токовводов 14 и автогенераторов 12 и наращивая при этом среднюю выходную мощность генерации излучения.The proposed design of the high-frequency unit is very compact. Self-oscillators 12 connected to electrodes 6 with a single discharge gap operate in phase due to their feedback circuits. Due to this, the stability of the discharge ignition and the uniformity of the power contribution along the entire length of the electrodes 6 are achieved, which is a significant advantage in relation to asymmetric schemes for excitation of the active medium of slit lasers. The same property makes it possible to significantly increase the length and area of the electrodes 6 by adding an appropriate number of current leads 14 and self-oscillators 12, while increasing the average output power of radiation generation.

Относительно симметричной электродной системы высокочастотный блок с автогенераторами 12 расположен несимметрично: нижний электрод 6 расположен ближе к автогенераторам 12, а верхний - дальше. Чтобы преодолеть эту несимметрию при подключении симметричных выходов автогенераторов 12 через токовводы 14 к симметричной электродной системе в конструкцию введены симметрирующие кронштейны 15 специальной формы, которые закреплены рядом на боковой стороне нижнего и верхнего электродов 6 так, что расстояние от нижней поверхности кронштейнов 14 до автогенераторов 12 становятся одинаковыми. Поскольку форма всех симметрирующих кронштейнов 15 одинакова, то они оказывают одинаковое влияние на свойства высокочастотных цепей, соединяющих симметричные выходы автогенератора 12 с симметричной электродной системой, т. е. обеспечивают одинаковый путь для тока и одинаковую индуктивность для обоих электродов. При этом к электродам 6 подключены индуктивности 16, создающие вместе с межэлектродной ёмкостью и ёмкостью самих электродов 6 электрический LC контур с частотой резонанса, соответствующей частоте накачки.With respect to the symmetrical electrode system, the high-frequency block with self-oscillators 12 is located asymmetrically: the lower electrode 6 is located closer to the self-oscillators 12, and the upper one is further away. To overcome this asymmetry, when connecting the symmetrical outputs of the oscillators 12 through the current leads 14 to the symmetrical electrode system, balancing brackets 15 of a special shape are introduced into the design, which are fixed side by side on the side of the lower and upper electrodes 6 so that the distance from the lower surface of the brackets 14 to the oscillators 12 becomes the same. Since the shape of all balancing brackets 15 is the same, they have the same effect on the properties of high-frequency circuits connecting the symmetrical outputs of the oscillator 12 with a symmetrical electrode system, i.e., they provide the same current path and the same inductance for both electrodes. In this case, inductances 16 are connected to the electrodes 6, which, together with the interelectrode capacitance and the capacitance of the electrodes 6 themselves, create an electric LC circuit with a resonance frequency corresponding to the pump frequency.

В предлагаемом лазере применена схема автогенератора, т.е. генератора, в колебательный контур которого включена система электродов 6 лазера. В отсутствие разряда нагрузкой генератора является межэлектродная емкость (и паразитная емкость на корпус лазера) с набором индуктивностей 16, расположенных параллельно разрядному промежутку (индуктивности 16 подбираются таким образом, чтобы получился резонансный контур с межэлектродной ёмкостью, настроенный на частоту 81,36 МГц). Когда генератор создает поджигающий импульс мощности высокочастотной накачки, возникает высокочастотный разряд и в нагрузке генератора появляется активное сопротивление плазмы и, последовательно с ним, емкостное сопротивление двух катодных слоев у каждого электрода. Амплитуда и фаза напряжения на токовводах 14 через цепь обратной связи передается на вход усилителя так, что автогенератор 12 начинает работать на частоте резонансного контура нагрузки и в фазе с напряжением на электродах 6. В предлагаемом лазере используется симметричная схема возбуждения плазмы разряда, т.е. автогенератор 12 имеет два выхода высокочастотной мощности, которые через токовводы 14 излучателя лазера соединяются каждый со своим электродом 6. Пушпульная схема автогенератора 12 формирует на своих выходах высокочастотные напряжения разноименной полярности, каждое из которых прикладываются к своему электроду 6. При этом высокочастотное напряжение между электродами 6 становится вдвое большим, чем напряжение между каждым электродом 6 и корпусом. In the proposed laser, a self-oscillator circuit is used, i.e. generator, in the oscillatory circuit of which the system of electrodes 6 of the laser is included. In the absence of a discharge, the load of the generator is the interelectrode capacitance (and parasitic capacitance on the laser body) with a set of inductances 16 located parallel to the discharge gap (inductances 16 are selected in such a way as to obtain a resonant circuit with an interelectrode capacitance tuned to a frequency of 81.36 MHz). When the generator creates an igniting pulse of high-frequency pump power, a high-frequency discharge occurs and the active resistance of the plasma appears in the load of the generator and, in series with it, the capacitance of the two cathode layers at each electrode. The amplitude and phase of the voltage on the current leads 14 is transmitted through the feedback circuit to the input of the amplifier so that the oscillator 12 starts to operate at the frequency of the resonant load circuit and in phase with the voltage on the electrodes 6. The proposed laser uses a symmetrical discharge plasma excitation circuit, i.e. oscillator 12 has two outputs of high-frequency power, which are each connected through the current leads 14 of the laser emitter to its own electrode 6. The push-pull circuit of oscillator 12 generates high-frequency voltages of opposite polarity at its outputs, each of which is applied to its own electrode 6. In this case, the high-frequency voltage between electrodes 6 becomes twice as high as the voltage between each electrode 6 and the housing.

На торцах корпуса вблизи торцов электродов 6 установлены медные зеркала 17, образующие неустойчивый резонатор отрицательной или положительной ветви неустойчивости. Зеркала 17 уплотняются к корпусу через витоновые прокладки 18 и могут юстироваться (наклоняться на небольшие углы) с помощью винтов. Зеркала 17 нагреваются излучением лазера и деформируются, что ухудшает расходимость излучения лазера и приводит к уходам луча. Чтобы этого избежать в предлагаемом лазере используются медные тонкие пластины 19 с гофрой, которые не мешают юстировке, но позволяют отводить тепло с задней поверхности зеркал 17 на охлаждаемые внешние стенки корпуса лазера, установленные на раме 1.Copper mirrors 17 are installed at the ends of the housing near the ends of the electrodes 6, forming an unstable resonator of the negative or positive branch of instability. Mirrors 17 are sealed to the body through Viton gaskets 18 and can be adjusted (tilted at small angles) with screws. Mirrors 17 are heated by the laser radiation and deformed, which worsens the divergence of the laser radiation and leads to beam drifts. To avoid this, the proposed laser uses copper thin plates 19 with corrugations, which do not interfere with alignment, but allow heat to be removed from the rear surface of mirrors 17 to the cooled outer walls of the laser housing mounted on frame 1.

На верхней крышке 2 через промежуточную пластину 20 установлена внешняя формирующая оптическая система. Излучение, сформированное резонатором, выходящее через ZnSe окно 21, представляет собой астигматичный пучок, т.е. имеющий разные расходимости по двум координатам (перпендикулярным осям) - волноводной (вертикальной) и по свободной (горизонтальной). Астигматичный выходной пучок падает на сферическое наклонное зеркало 22 и, отразившись от него, «приобретает» сферический сходящийся волновой фронт. После отражения от плоского зеркала 23 пучок направляется на пространственный фильтр 24 в виде диафрагмы, расположенной в плоскости перетяжки. После прохождения фильтра 24 сферический пучок падает на сферическую ZnSe линзу 25 (или эквивалентное зеркало), которая обеспечивает коллимацию выходного излучения. Положение сферического зеркала 22 и его наклон определяются методом численного моделирования. Также рассчитываются положения всех элементов оптической схемы - пространственного фильтра 24 и выходной линзы 25 (или зеркала) и фокуса сферического зеркала 22 и линзы 25.An external forming optical system is installed on the top cover 2 through the intermediate plate 20. The radiation generated by the resonator and exiting through the ZnSe window 21 is an astigmatic beam, i.e. having different divergences along two coordinates (perpendicular to the axes) - waveguide (vertical) and free (horizontal). The astigmatic output beam falls on a spherical inclined mirror 22 and, having been reflected from it, "acquires" a spherical converging wave front. After reflection from a flat mirror 23, the beam is directed to a spatial filter 24 in the form of a diaphragm located in the waist plane. After passing through filter 24, the spherical beam is incident on a spherical ZnSe lens 25 (or equivalent mirror), which provides collimation of the output radiation. The position of the spherical mirror 22 and its inclination are determined by numerical simulation. The positions of all elements of the optical scheme are also calculated - the spatial filter 24 and the output lens 25 (or mirror) and the focus of the spherical mirror 22 and lens 25.

Выбранная оптическая схема формирует выходное излучение в виде круга с гауссовым распределением интенсивности и с расходимостью, близкой к дифракционному пределу. Коллимирующая сфера (зеркало 25) позволяет сохранить размер пучка при его распространении на расстояние в 2 - 3 метра. Пространственный фильтр 24 охлаждается за счет контакта с охлаждаемой трубками 10 верхней крышкой 2 корпуса лазера. Выбранная оптическая схема проста и не содержит дорогих цилиндрических элементов - зеркал и линз.The selected optical scheme generates output radiation in the form of a circle with a Gaussian intensity distribution and with a divergence close to the diffraction limit. The collimating sphere (mirror 25) makes it possible to preserve the size of the beam when it propagates over a distance of 2 - 3 meters. Spatial filter 24 is cooled by contact with the cooled tubes 10 top cover 2 of the laser housing. The chosen optical scheme is simple and does not contain expensive cylindrical elements - mirrors and lenses.

Благодаря описанным конструктивным особенностям, предлагаемый лазер значительно менее подвержен термодеформациям и демонстрирует стабильную надёжную работу на протяжении пролонгированного срока службы, компактен и удобен в сборке.Due to the described design features, the proposed laser is much less susceptible to thermal deformation and demonstrates stable reliable operation over a prolonged service life, is compact and easy to assemble.

Claims

1. A slit-type gas laser containing a high-frequency pumping unit with self-oscillators and a cooled sealed housing filled with an active gas medium, with a resonator in the form of mirrors at its ends and a discharge gap, which is formed between planar electrodes installed inside the housing through heat-conducting electrically insulating ceramic plates and connected through the current leads to the specified pumping unit, characterized in that the housing is made in the form of a box-shaped frame with top and bottom covers, and the electrodes are fixed on these covers using holders with insulating ceramic elements that abut against the inclined surfaces formed on the sides of the electrodes with the formation of a sliding contact.

2. The gas laser according to claim 1, characterized in that the pumping unit is equipped with a trough-shaped casing attached bottom up to the bottom cover of the casing, inside which is located at least one oscillator.

3. The gas laser according to claim 2, characterized in that it is equipped with several pairs of electrodes, each of which is connected to its own oscillator located in a single casing.

4. Gas laser according to claim 1, characterized in that the electrodes are equipped with reciprocal balancing brackets for connecting the current leads of the pumping unit, made in such a way as to provide the same path for the current and the same inductance for both electrodes.

5. A gas laser according to claim 1, characterized in that inductances are connected to the electrodes, creating, together with the interelectrode capacitance and the capacitance of the electrodes themselves, an electric LC circuit with a resonance frequency corresponding to the pump frequency.

6. Gas laser according to claim 1, characterized in that the body cooling is implemented in the form of tubes soldered along the covers opposite the electrodes on the outside of the body.

7. Gas laser according to claim 6, characterized in that said tubes pass through a heat exchanger located in the pumping unit and a cooling self-oscillator.

8. The gas laser according to claim 1, characterized in that it is equipped with an external shaping optical system installed on the top cover of the housing and converting the laser beam leaving the resonator into a Gaussian beam with the same divergences in two coordinates.

9. Gas laser according to claim 8, characterized in that the external shaping optical system is equipped with a spatial filter in the form of a cooled diaphragm.

10. Gas laser according to claim 1, characterized in that grooves are made on each electrode perpendicular to the optical axis of the resonator, forming an internal spatial filter for laser radiation.

11. Gas laser according to claim 1, characterized in that the resonator is made in the form of an unstable resonator of the negative branch of instability.

12. Gas laser according to claim 1, characterized in that the resonator is made in the form of an unstable resonator of the positive branch of instability.

13. Gas laser according to claim 1, characterized in that at least a two-component gas mixture containing CO ₂ , N ₂ , He, Xe, CO and/or Ar is used as the gas medium.

14. Gas laser according to claim 1, characterized in that the housing is cooled by air blowing.

15. Gas laser according to claim 1, characterized in that the frame and housing covers are hermetically connected through an indium seal.