RU2785283C1 - Лазер на инертных газах с оптической накачкой - Google Patents
Лазер на инертных газах с оптической накачкой Download PDFInfo
- Publication number
- RU2785283C1 RU2785283C1 RU2022101878A RU2022101878A RU2785283C1 RU 2785283 C1 RU2785283 C1 RU 2785283C1 RU 2022101878 A RU2022101878 A RU 2022101878A RU 2022101878 A RU2022101878 A RU 2022101878A RU 2785283 C1 RU2785283 C1 RU 2785283C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- gas
- flow
- cooling
- pump
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 27
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 20
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 6
- -1 argon-helium Chemical compound 0.000 claims abstract description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 claims abstract description 3
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 abstract description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 150000002835 noble gases Chemical class 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 description 2
- DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N krypton(0) Chemical compound [Kr] DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 2
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon(0) Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006101 laboratory sample Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon(0) Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static Effects 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к лазерной технике, в частности к лазерам с оптической накачкой на смеси благородных газов. В лазерах такого класса атомы более тяжелых инертных газов, являющихся источником генерации, образуются в электрическом разряде при давлении, близком к атмосферному. Лазер на инертных газах с оптической накачкой включает разрядную камеру, системы питания, оптической накачки, газопроточную, выполненную на газовой смеси аргон-гелий, и охлаждающую, в качестве системы оптической накачки используют систему диодной накачки, газопроточная система выполнена с обеспечением работы по замкнутому циклу с возможностью перехода на открытый цикл, все системы размещены в отдельных блоках: лазерном и охлаждающем, в лазерном блоке размещены разрядная камера, корпус с патрубками, выполненный в виде единой конструкции из плавленого кварца, система питания, мембранный насос, электронная система, источник накачки, оптические модули, радиатор воздушного потока, датчики измерения, расходомер, охлаждающий блок содержит водяной бак, радиатор, насос водяной, датчик скорости потока жидкости, систему электроники. Техническим результатом является автономность лазера, повышение эффективности и выходной мощности. 3 ил.
Description
Изобретение относится к лазерной технике, в частности к лазерам с оптической накачкой на смеси инертных газов (ЛОНИГ), и может применяться в мощных непрерывных системах с хорошим качеством луча. В лазерах такого класса метастабильные атомы тяжелых инертных газов, являющиеся источником генерации, образуются в электрическом разряде при давлении, близком к атмосферному.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении высокой выходной мощности и высокой эффективности лазера.
Из уровня техники известны лазеры с электрической накачкой в среде инертных газов (например, аргона, криптона и/или ксенона). Мощные образцы таких лазеров работают, как правило, в импульсном режиме и обычно при давлении ниже атмосферного. Эти лазеры обладают низким энергосъемом с 1 см3 активной среды, что связано с эффективностью накачки среды электрическим током.
Для многих применений, например, для медицинской диагностики, лазерной обработки и/или других исследований желателен непрерывный волновой выходной луч. Атомы инертных газов химически стабильны и обычно не вступают в реакцию с какой-либо поверхностью лазера, включая оптику. Поэтому желательно генерацию атомов инертных газов осуществлять с помощью оптической накачки в непрерывном режиме.
Известен лазер, который сочетает в себе систему возбуждения и процесс двойной накачки длинноволнового лазера для генерации коротковолнового излучения по патенту CN112448258/WO2021036133 «ЛАЗЕР» (Shanghai Inst MicrosysteM & Information Tech CAS[CN], публик. 04.03.2021). Промежуточное состояние атомов среды является метастабильным, так как система электронной накачки переводит атомы в среде в метастабильное состояние. Среда включает гелий, неон, аргон, криптон или ксенон. Простая и компактная структура лазера позволяет снизить стоимость и реализовать лазер с короткой длиной волны.
Наиболее близким аналогом является газовый лазер с оптической накачкой для получения непрерывного излучения по патенту US9647414 «ЛАЗЕР И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ВОЛНОВОГО ВЫХОДНОГО ЛУЧА» (Physical Sciences Inc [118],публик. 09.05.2017). Газовый лазер включает систему питания, газопроточную систему, систему оптической накачки, оптические модули, разрядную камеру, представляющую собой стеклонаполненную камеру статического давления из тефлона с ВЧ-резонатором. Схема оптической накачки состоит из титан-сапфирового лазера (Ti:S). Подача газа происходит по открытому циклу (с выпуском его в атмосферу). В качестве газовой среды используют смесь инертных газов: Не+Ar, Не+Kr. Газ проходит через разрядную камеру, где формируется ВЧ-разряд. Количество резонаторов в разрядной камере равно 15. Частота ВЧ-излучения - 900 МГц. Оптическая накачка работает в импульсном режиме, ее направляют в область наработки метастабильных элементов для дальнейшего возбуждения атомов инертного газа и получения лазерной генерации. В процессе разряда в газе происходит наработка метастабильных элементов с энерговкладом в разряд ~ 3 Вт. В вариантах реализации, где аргон является излучающим газом, средняя плотность электронов в нем составляет ~ 1014 см-3.
Недостатком ближайшего аналога является низкая мощность выходного излучения (около 20 мВт), это связано с тем, что:
- Схема оптической накачки является энергетически не эффективной, которая работает в импульсном режиме. В процессе преобразования энергии от накачки Nd:YAG-лазера до излучения ЛОНИГ на каждом этапе происходит потеря энергия;
- Разрядная камера имеет малый размер (0,3×1×19 мм), что связано с организацией ВЧ-разряда и практически не позволяет масштабирования до размеров порядка нескольких сантиметров;
- Устройство является лабораторным образцом.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание автономного образца лазера, а также повышение эффективности и выходной мощности лазера.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в лазере на инертных газах с оптической накачкой, включающем разрядную камеру, системы питания, оптической накачки, газопроточную, выполненную на газовой смеси аргон-гелий, и охлаждающую, новым является то, что в качестве системы оптической накачки используется модуль, состоящий из линейки лазерных диодов, а газопроточная система выполнена с обеспечением работы по замкнутому циклу и возможностью перехода на открытый цикл, причем все системы размещены в отдельных блоках - лазерном и охлаждающем. В лазерном блоке размещены разрядная камера, корпус которой выполнен в виде единой конструкции из плавленого кварца, система питания, мембранный насос, электронная система, источник накачки, оптические модули, радиатор воздушного потока, датчики измерения, расходомер. В охлаждающем блоке размещены насос водяной, расходный бак, радиатор водяного потока, датчик скорости потока жидкости и система электроники.
Отличительные признаки позволяют сократить потери энергии, сократить оптическую схему, улучшить качество выходного излучения лазера, что в конечном итоге позволит повысить эффективность и мощность лазера.
На фиг. 1 представлена блок-схема ЛОНИГ, на фиг. 2 - лазерного блока, на фиг. 3 - охлаждающего блока, где:
1' - лазерный блок, 1 - лазер накачки, 2, 3 - зеркало, 4 - цилиндрическая линза, 5 - сферическая линза, 6 - разрядная камера, 7, 8 - зеркало резонатора, 9 - расходомер, 10 - мембранный насос, 11 - радиатор воздушного охлаждения, 12 - узел датчиков измерения, вентиль, 13 - блок питания разряда, 14 - блок питания накачки, 15 система электроники и термостатирования, 2' - охлаждающий блок (чиллер), 16 - датчик скорости потока жидкости, 17 - насос водяной, 18 - радиатор водяного потока, 19 - водяной бак, 20 - система электроники.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить ЛОНИГ, включающий блок лазерный и блок охлаждения.
В конструкции блока лазерного присутствуют системы: газопроточная, оптическая, электронная и разрядная камера. Газопроточная система на рабочей смеси аргон-гелий представлена мембранным насосом, блоком датчиков, воздушным холодильником и соединительными трубопроводами. Скорость потока рабочей смеси аргон-гелий составляет порядка 5 л/с при давлении около 1 атм. С помощью датчиков измеряется давление, температура и скорость газовой среды. Данные с датчиков обрабатываются электронной схемой. В оптическую систему входят: источник накачки, котировочные зеркала, линза фокусировки накачки и оптический резонатор. Оптическая система обеспечивает фокусировку излучения накачки в область активной зоны разрядной камеры, а также формирует резонатор лазерного источника. Для источника выбрана поперечная схема оптической накачки. Ее достоинством является то, что направление излучения накачки ортогонально направлению излучения ЛОНИГ.
Система электроники и термостатирования предназначена для питания источника накачки, разряда, насоса, расходомера и радиатора воздушного охлаждения. Блок питания разряда обладает следующими параметрами: напряжение на электродах в максимуме импульса составляет 2 кВ; частота следования импульсов - 200 кГц; длительность одиночного импульса - 40 не; время нарастания импульса - 16 не.
Основным компонентом ЛОНИГ является разрядная камера - кювета, поскольку в ней образуется активная среда лазера. Кювета представляет собой монолитный блок из кварца, в который вклеены электроды и окна. Поверхности электродов, изготовленные из танталовой фольги толщиной 0,7 мм, представляют собой параллельные плоскости на расстоянии от 3 до 4 мм друг от друга. Размер поверхности электродов - 4×10 мм. Таким образом, объем разрядного промежутка составляет от 0,12 см3 до 0,16 см3.
Чиллер представляет собой систему водяного охлаждения лазера накачки. Система охлаждения лазерного источника предназначена для защиты диодного лазера накачки от перегрева. Охлаждающая система (чиллер) представлена датчиком скорости потока жидкости, насосом, радиатором водяного потока, водяным баком и соединительными трубопроводами. Система электроники чиллера предназначена для питания датчика скорости потока жидкости и насоса.
Работа по замкнутому циклу производится с уже заполненным газовым трактом рабочей смесью до давления 1 атм.
Порядок включения компонентов ЛОНИГ при работе по замкнутому циклу следующий:
1. Производится включение охлаждающего блока (чиллера) 2', система электроники 20 запускает датчик скорости потока жидкости 16 и насос 17. Хладоноситель поступает из бака 19 по трубопроводам. Насос 17 обеспечивает циркуляцию хладоносителя в системе, проходя через датчик скорости потока жидкости 16 и радиатор водяного охлаждения 18.
2. Производится включение лазерного блока Г. Система электроники и термостатирования 15 подает электрическое питание на расходомер 9, вентиляторы радиатора воздушного охлаждения 11, узел датчиков измерения 12.
3. Производится включение мембранного насоса 10. Газ (смесь газов) перекачивается по газопроводу и проходит через элементы газовой системы. Газ проходит через расходомер 9, попадает в разрядную камеру 6. Нагретый в разрядной камере 6 газ охлаждается в радиаторе 11.
4. Производится включение блока питания разряда 13. В результате включения напряжение разряда подается на электроды, которые расположены в разрядной камере 6, и образуется разряд.
5. Производится включение блока питания лазера накачки 14, в результате чего включается лазер накачки 1. Луч накачки с помощью поворотных зеркал 2, 3, проходит через цилиндрическую и сферическую линзы 4, 5 соответственно и фокусируется в области разряда в разрядной камере 6. Зеркала 7, 8 образуют устойчивый оптический резонатор ЛОНИГ.
При работе по открытому циклу ЛОНИГ реализуется с последующим размыканием газовой магистрали между элементами 6 и 9. Через вентиль 12 производится подключение баллона с газом (газовой смесью). При открытии вентиля 12 осуществляется движение газовой среды через разрядную камеру 6.
Далее выполняются все пункты порядка включения компонентов ЛОНИГ, как и при работе по замкнутому циклу за исключением пункта 3.
Claims (1)
- Лазер на инертных газах с оптической накачкой, включающий разрядную камеру, системы питания, оптической накачки, газопроточную, выполненную на газовой смеси аргон-гелий, и охлаждающую, отличающийся тем, что в качестве системы оптической накачки используют систему диодной накачки, а газопроточная система выполнена по замкнутому циклу работы с возможностью перехода на открытый цикл, причем все системы лазера размещены в двух блоках - лазерном и охлаждающем, при этом в лазерном блоке размещены разрядная камера, корпус которой с патрубками выполнен в виде единой конструкции из плавленого кварца, система питания, мембранный насос, источник накачки, оптические модули, радиатор воздушного потока, датчики измерения, расходомер, а в охлаждающем блоке размещены водяной бак, радиатор водяного потока, насос водяной, датчик скорости потока жидкости.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2785283C1 true RU2785283C1 (ru) | 2022-12-06 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6965624B2 (en) * | 1999-03-17 | 2005-11-15 | Lambda Physik Ag | Laser gas replenishment method |
| US9059561B2 (en) * | 2011-06-29 | 2015-06-16 | Robert Neil Campbell | Molecular gas laser |
| RU2558652C1 (ru) * | 2014-04-04 | 2015-08-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Активный элемент лазера на парах щелочных металлов |
| RU2621616C1 (ru) * | 2016-08-11 | 2017-06-06 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Двухконтурный газовый лазер и способ его эксплуатации |
| RU2682560C1 (ru) * | 2018-02-12 | 2019-03-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Излучатель лазера |
| RU2693542C1 (ru) * | 2018-08-08 | 2019-07-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Троицкий инженерный центр" | Лазерная система и способ генерации ик излучения |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6965624B2 (en) * | 1999-03-17 | 2005-11-15 | Lambda Physik Ag | Laser gas replenishment method |
| US9059561B2 (en) * | 2011-06-29 | 2015-06-16 | Robert Neil Campbell | Molecular gas laser |
| RU2558652C1 (ru) * | 2014-04-04 | 2015-08-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Активный элемент лазера на парах щелочных металлов |
| RU2621616C1 (ru) * | 2016-08-11 | 2017-06-06 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Двухконтурный газовый лазер и способ его эксплуатации |
| RU2682560C1 (ru) * | 2018-02-12 | 2019-03-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Излучатель лазера |
| RU2693542C1 (ru) * | 2018-08-08 | 2019-07-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Троицкий инженерный центр" | Лазерная система и способ генерации ик излучения |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5239408A (en) | High power, high beam quality regenerative amplifier | |
| Hargrove et al. | High power efficient dye amplifier pumped by copper vapor lasers | |
| US5285310A (en) | High power regenerative laser amplifier | |
| JP2006186230A (ja) | 光増幅モジュール、光増幅器およびレーザ発振器 | |
| RU2785283C1 (ru) | Лазер на инертных газах с оптической накачкой | |
| CN1635670A (zh) | 激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器 | |
| Yasui et al. | Silent-discharge excited TEM/sub 00/2.5 kW CO/sub 2/laser | |
| CN209929677U (zh) | 一种可调脉宽短脉冲激光器 | |
| CN104659648B (zh) | 掺钕硅酸镓镧自倍频超短脉冲激光器 | |
| CN215418955U (zh) | 一种基于激光的三倍频装置及激光系统 | |
| CN212182756U (zh) | 一种正交偏振输出的激光器 | |
| CN207853173U (zh) | 一种脉宽可调的固体激光器 | |
| WO1987000981A1 (en) | Continuous wave mid-infrared gas laser utilizing rf excitation | |
| Botero et al. | Design and performance of a sealed CO2 laser for industrial applications | |
| Reed et al. | Design and performance of a high-power modelocked Nd: YLF laser | |
| Schlie et al. | Long operating time CW atomic iodine probe laser at 1.315 µm | |
| RU2519869C2 (ru) | Эксимерная лазерная система и способ генерации излучения | |
| CN116093716A (zh) | 一种板条式准分子激光器 | |
| Everett | Flashlamp-excited dye lasers | |
| Furumoto | State of the art high energy and high average power flashlamp excited dye lasers | |
| Koechner et al. | Thermo-optic effects and heat removal | |
| CN116316026A (zh) | 一种负压条件下高转换效率蓝色激光的产生装置 | |
| Bass | Lasers for Laser materials processing | |
| Brederlow et al. | High-power iodine laser development at the Institut fur Plasmaphysik, Garching | |
| RU2507653C1 (ru) | Газоразрядный лазер |