RU753325C - Газовый лазер - Google Patents

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в импульсных газовых лазерах (ИГЛ) с продольным разрядом, применяемых в технологии изготовления пленочных микросхем, медицине, оптической локации.

Как известно, импульсная и средняя энергии излучения ИГЛ зависят от скорости нарастания тока в активном элементе, определяемой его индуктивностью, и от скорости охлаждения активной среды.

Известны лазеры с активным элементом в виде коаксиальной разрядной трубки, состоящей из капилляра (стеклянная, керамическая или кварцевая трубка), металлического экрана и электродов (анод, катод), соединенных с помощью двух токопроводов с генератором импульсного напряжения. Уменьшение индуктивности в таких конструкциях достигается за счет размещения капилляра разрядной трубки внутри металлического экрана, который выполняет роль одного из токопроводов. В результате обеспечивается высокая скорость нарастания тока через трубку, достигающая 10¹¹-10¹² А/с. Однако, при таком расположении капилляра уменьшается скорость естественного охлаждения. В результате из-за перегрева активной среды при определенной частоте (f = 10-20 Гц) нарушается линейная зависимость средней мощности излучения от частоты. При работе лазера в частотном режиме возникает необходимость дополнительного охлаждения разрядной трубки охлаждающими жидкостями (вода, масло и пр.), что вызывает технические трудности в обеспечении надежной электрической изоляции между капилляром и экраном разрядной трубки и требует дополнительных устройств для прокачки охлаждающей жидкости. Но и в условиях принудительного охлаждения частота следования возбуждающих импульсов, как правило, не превышает 300 Гц из-за низкого коэффициента аккомодации возбужденных молекул активной среды на внутренней поверхности капилляра. Кроме того пятно генерации в таких разрядных трубках имеет форму кольца с темным отверстием в центре.

Известны ионные лазеры непрерывного действия с активным элементом в виде секционированной разрядной трубки, состоящей из капилляра (разрядного канала), образованного металлическими секциями, которые соединены между собой диэлектрическими шайбами, и электродов, соединенных с помощью двух токопроводов с источником постоянного напряжения. Благодаря высокой теплопроводности металла, скорость естественного охлаждения капилляра секционной разрядной трубки велика. Но в отличие от коаксиальной разрядной трубки секционные разрядные трубки для ионных ОКГ обладают значительной индуктивностью. В некоторых областях науки и техники (например, оптическая локация атмосферы, создание источников накачки лазеров на красителях и др.), ионные лазеры непрерывного действия не могут быть использованы. Для этих целей необходим ИГЛ.

Цель изобретения - повышение импульсной и средней мощности излучения ИГЛ и обеспечение линейной зависимости импульсной и средней мощности и однородности пятна излучения от частоты возбуждающих импульсов.

Эта цель достигается тем, что внутри активного элемента ИГЛ с секционированной разрядной трубкой параллельно ее оси выполнен канал, в котором расположен один из токопроводов, который электрически соединен с одним из электродов, но изолирован от секций и второго электрода, и имеет вывод за вторым электродом, а секции выполнены из материала, величина коэффициента теплопроводности которого лежит в пределах 50-400 Вт/см˙град при максимальном значении коэффициента аккомодации возбужденных молекул для данного рабочего вещества, например, из алюминия:
λ= 186 Вт/см˙град
ε= 2˙10^-3 для лазера на ультрафиолетовых переходах молекул азота,
где λ- коэффициент теплопроводности;
ε- коэффициент аккомодации.

Индуктивность двух проводников электрического тока уменьшается, если они находятся в поле обратного тока, по закону

=

Arch

На фиг. 1 изображен график зависимости погонной индуктивности (L/l) от расстояния между проводниками. Из графика следует, что индуктивность минимальная при сближении проводников. Высокая скорость естественного охлаждения достигается за счет того, что секции, обладая большим коэффициентом теплопроводности и большой поверхностью интенсивно отводят тепло от разрядной трубки. Коэффициент аккомодации возбужденных молекул, зависящий от материала секций, ускоряет процессы релаксации этих молекул на внутренних поверхностях секций. Высокие значения скорости охлаждения и коэффициента аккомодации повышают предельно достигаемую частоту следования импульсов возбуждения, при которой еще сохраняется линейная зависимость средней мощности излучения от частоты. Равномерность пятна излучения обеспечивается пробойными эффектами. В диэлектрических разрядных трубках пробой вначале происходит вблизи стенок капилляра (разрядного канала), а в заявляемой - по всему объему разрядного канала.

В результате для диэлектрической разрядной трубки условия возбуждения активного вещества сказываются более благоприятными у стенок и пятно генерации, вследствие этого, приобретает кольцеобразную структуру.

На фиг.2 приведено схематическое изображение предложенного импульсного газового лазера.

Лазер содержит электроды 1 и 2, металлические секции 3, соединенные вакуумно-плотно между собой при помощи диэлектрических шайб 4. Разрядный канал 5 образован отверстиями в секциях и электродах. Параллельно разрядному каналу на расстоянии d от его оси расположена диэлектрическая трубка 6, проходящая через дополнительные отверстия в электродах и секциях. Внутри трубки 6 находится токопровод 7, который одним концом соединен с электродом 1. Второй конец токопровода 7 имеет вакуумно-плотный вывод 8, расположенный за электродом 2, соединенный с источником импульсного напряжения 9. Электрическая цепь замыкается при помощи токопровода 10.

При подаче импульса напряжения от источника 9 на электроды разрядной трубки 1 и 2 происходит электрический пробой разрядного канала 5. Направление тока в разрядном канале 5 противоположно направлению тока в токопроводе 7, т.е. они находятся в поле обратного тока. Индуктивность разрядной трубки с изменением расстояния d будет меняться так, как показано на фиг.1. Минимальное значение d ограничено диаметрами разрядного канала 5 и трубки 6. Высокая скорость охлаждения конструкции обеспечивается теплопроводностью металлических секций 3.

Изготовленный образец ИГЛ с секционной разрядной трубкой содержал 20 алюминиевых секций диаметром 70 мм и толщиной 6 мм. Диаметры разрядного канала и медного токопровода 7 составляли 3 мм. Диэлектрические шайбы толщиной 3 мм и диаметром 25 мм и диэлектрическая трубка 6 с внешним диаметром 6 мм выполнены из керамики. Расстояние d составляло 5 мм.

Индуктивность ИГЛ имела значение, которое обеспечило скорость нарастания тока в разрядной трубке ≈4˙10¹¹ А/с, что характерно для коаксиальных конструкций и примерно в 3 раза выше, чем в случае секционной разрядной трубки без токопровода 7.

Скорость естественного охлаждения разрядной трубки и величина коэффициента аккомодации позволили работать с частотой 1,5-2 кГц. При этом значение средней мощности излучения составляло 100-120 мВт при однородном пятне излучения. Типичное значение предельной частоты следования импульсов для разрядных трубок коаксиальной конструкции (аналог изобретения по достигаемому результату) имеет значение 200-300 Гц. Значение средней мощности излучения составляет при этом десятки мВт.

Claims (3)

1. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий секционированную разрядную трубку с разрядным каналом, источник накачки и два токопровода, соединенные с электродами разрядной трубки и источником накачки, отличающийся тем, что, с целью повышения средней мощности излучения, секции разрядной трубки имеют второй канал, расположенный у границы разрядного канала параллельно его оси, внутри второго канала размещен один из токопроводов, вывод которого, подключенный к источнику накачки, вынесен за электрод, соединенный с другим токопроводом.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения линейной зависимости импульсной и средней мощности и однородности пятна излучения от частоты возбуждающих импульсов, секции разрядной трубки выполнены из материала с коэффициентом 50 - 400 вт/см · град при максимальном значении коэффициента аккомодации возбужденных молекул для данного рабочего вещества.

3. Лазер по п.2, отличающийся тем, что секции разрядной трубки выполнены из алюминия.

Images