RU2153744C2 - Gaseous-discharge co laser - Google Patents

Abstract

FIELD: laser equipment. SUBSTANCE: invention is related to devices with stimulated emission. Gaseous-discharge CO laser of high pressure with subsonic flow of working gas includes heat exchanger, discharge chamber with heteropolar electrodes connected to high-voltage generator and resonator placed across output of discharge chamber. System of conductors each being located inside capillary dielectric tube is used in the capacity of electrodes. Gap between capillary tubes is less that their diameter. Axes of tubes are perpendicular to vector of flow of working gas. Heat exchanger is aligned with capillary tubes by communication of their space to source of cooling agent. Conducting coat on internal surface of tubes can be used as conductor. EFFECT: enhanced efficiency of laser, energy displacement towards short waves in emission spectrum is achieved. 1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам со стимулированным излучением и, в частности, может быть использовано в газоразрядных CO-лазерах высокого давления с дозвуковым потоком рабочего газа. The invention relates to devices with stimulated radiation and, in particular, can be used in high-pressure gas-discharge CO lasers with a subsonic flow of the working gas.

Известна конструкция газоразрядного CO-лазера [1], содержащего разрядную камеру, выполненную в виде трубки (см. фиг. 1), стенки которой охлаждаются. В этой конструкции отвод тепла из зоны разряда осуществляется за счет диффузии частиц рабочего газа на охлаждаемые стенки. Недостатком конструкции является то, что с увеличением давления (свыше 30 тор) или энерговклада происходит интенсивный нагрев газа, возникает неустойчивость разряда, а уменьшение диаметра трубки приводит к увеличению расходимости излучения. The known design of a gas-discharge CO laser [1], containing a discharge chamber made in the form of a tube (see Fig. 1), the walls of which are cooled. In this design, heat is removed from the discharge zone due to the diffusion of the working gas particles on the cooled walls. The design drawback is that with increasing pressure (over 30 torr) or energy input, intense heating of the gas occurs, discharge instability occurs, and a decrease in the diameter of the tube leads to an increase in the divergence of radiation.

Известный газоразрядный CO-лазер с раздельной накачкой с дозвуковым потоком рабочего газа [2], выбранный в качестве прототипа, содержит теплообменник, разрядную камеру с разнополярными электродами, подключенными к высоковольтному генератору, электронный ускоритель для предионизации и резонатор, установленный на выходе разрядной камеры. В этом лазере устойчивое горение разряда в CO активной среде высокого давления поддерживается электронным пучком. Охлажденная в теплообменнике рабочая смесь поступает в разрядную камеру (см. фиг.2), где в процессе возбуждения из-за нагрева газа меняется его плотность и в результате в канале с постоянным сечением газового тракта в конце зоны разряда наблюдается рост параметра E/N, где E - напряженность поля, a N - плотность частиц в см³, что существенно ограничивает энерговклад. В прототипе применено раскрытие канала в зоне разряда на 6^o, что позволило несколько увеличить энерговклад и КПД за счет более равномерного и устойчивого горения разряда вдоль всей разрядной зоны.Known gas-discharge CO laser with separate pumping with a subsonic flow of the working gas [2], selected as a prototype, contains a heat exchanger, a discharge chamber with bipolar electrodes connected to a high-voltage generator, an electronic accelerator for preionization, and a resonator mounted at the output of the discharge chamber. In this laser, stable discharge burning in a CO active medium of high pressure is supported by an electron beam. The working mixture cooled in the heat exchanger enters the discharge chamber (see Fig. 2), where its density changes due to heating of the gas and, as a result, an increase in the E / N parameter is observed in the channel with a constant cross section of the gas path at the end of the discharge zone, where E is the field strength, and N is the particle density in cm ³ , which significantly limits the energy input. The prototype used a channel opening in the discharge zone by 6 ^o , which allowed to slightly increase the energy input and efficiency due to a more uniform and stable burning of the discharge along the entire discharge zone.

Однако это решение не уменьшило температуру возбужденной газовой среды и не приводит к смещению энергии в спектре ее излучения в сторону коротких волн. However, this solution did not reduce the temperature of the excited gas medium and does not lead to a shift of energy in the spectrum of its radiation towards short waves.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение КПД CO-лазера высокого давления с дозвуковым потоком газа и смещение энергии в спектре его излучения в сторону коротких волн. The technical result of the proposed invention is to increase the efficiency of a high-pressure CO laser with a subsonic gas flow and the energy shift in the spectrum of its radiation towards short waves.

Этот результат достигается путем диффузионного охлаждения активной среды в процессе ее возбуждения за счет конструктивного усовершенствования известного газоразрядного CO-лазера высокого давления с дозвуковым потоком рабочего газа, содержащего теплообменник, разрядную камеру с разнополярными электродами, подключенными к высоковольтному генератору, и резонатор, установленный на выходе разрядной камеры. This result is achieved by diffusive cooling of the active medium during its excitation due to the structural improvement of the known high-pressure CO-discharge laser with a subsonic flow of the working gas containing a heat exchanger, a discharge chamber with different polar electrodes connected to a high-voltage generator, and a resonator mounted at the discharge output cameras.

Усовершенствование заключается в том, что в качестве электродов использована система проводников, каждый из которых размещен внутри капиллярной диэлектрической трубки, зазор между капиллярными трубками меньше их диаметра, оси трубок перпендикулярны вектору потока рабочего газа, при этом теплообменник совмещен с капиллярными трубками путем их соединения с источником хладагента. В качестве проводника может быть применено проводящее покрытие на внутренней поверхности трубки. The improvement consists in the fact that a system of conductors is used as electrodes, each of which is placed inside a capillary dielectric tube, the gap between the capillary tubes is smaller than their diameter, the tube axes are perpendicular to the working gas flow vector, while the heat exchanger is aligned with the capillary tubes by connecting them to a source refrigerant. As a conductor, a conductive coating can be applied on the inner surface of the tube.

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.3 показан продольный разрез лазера, а на фиг.4 - его поперечный разрез. The invention is illustrated by the accompanying drawings, in which Fig.3 shows a longitudinal section of the laser, and Fig.4 is a transverse section.

Газоразрядный CO-лазер высокого давления с дозвуковым потоком рабочего газа содержит разрядную камеру, размещенную в корпусе 1 и образованную системой электродов, каждый из которых состоит из проводника 2, размещенного в диэлектрической капиллярной трубке 3. Оси капиллярных трубок расположены перпендикулярно вектору потока рабочего газа CO-лазера. Трубки 3 установлены с зазором 4 друг относительно друга, не превышающем их диаметра. Проводники 2 размещены в трубке так, чтобы между ними и стенкой трубки был зазор, в одном из вариантов проводник выполнен в виде проводящего покрытия на внутренней поверхности трубки. Полости трубок 3 соединены с источником хладагента 5 и таким образом выполняют роль теплообменника. В случае нанесенного проводящего покрытия на поверхности трубки 3 в качестве хладагента может быть использован, например, жидкий азот. Подключение проводников к высоковольтному высокочастотному генератору 6 осуществлено таким образом, чтобы как минимум два соседних электрода были разнополярными. Полость трубок и разрядная зона разделены герметичными прокладками 7. Резонатор 8 установлен на выходе разрядной камеры. A high-pressure gas-discharge CO laser with a subsonic flow of working gas contains a discharge chamber located in the housing 1 and formed by a system of electrodes, each of which consists of a conductor 2 placed in a dielectric capillary tube 3. The axis of the capillary tubes are perpendicular to the vector of the working gas flow CO- laser. Tubes 3 are installed with a gap of 4 relative to each other, not exceeding their diameter. Conductors 2 are placed in the tube so that there is a gap between them and the tube wall; in one embodiment, the conductor is made in the form of a conductive coating on the inner surface of the tube. The cavity of the tubes 3 are connected to a source of refrigerant 5 and thus act as a heat exchanger. In the case of a conductive coating on the surface of the tube 3, for example, liquid nitrogen can be used as a refrigerant. The conductors are connected to the high-voltage high-frequency generator 6 in such a way that at least two adjacent electrodes are bipolar. The cavity of the tubes and the discharge zone are separated by sealed gaskets 7. The resonator 8 is installed at the outlet of the discharge chamber.

Работает газоразрядный CO-лазер следующим образом. The gas-discharge CO laser operates as follows.

При подаче высоковольтного высокочастотного напряжения на электроды в зазорах 4 между капиллярными диэлектрическими трубками 3 возникает электрический разряд, в котором происходит возбуждение прокачиваемой в камере CO содержащей среды и соответственно ее нагрев. Но в результате малого расстояния между капиллярными трубками (меньше диаметра трубок) тепловая энергия, выделяющаяся при возбуждении рабочего газа, отводится в процессе диффузии частиц на охлаждаемые стенки трубок. When a high-voltage high-frequency voltage is applied to the electrodes in the gaps 4 between the capillary dielectric tubes 3, an electric discharge occurs in which the containing medium pumped in the CO chamber is excited and, accordingly, heated. But as a result of the small distance between the capillary tubes (less than the diameter of the tubes), the thermal energy released during the excitation of the working gas is diverted during the diffusion of particles to the cooled walls of the tubes.

На выходе из такой многоэлектродной разрядной камеры температура возбужденной газовой среды, охлаждаемой в процессе возбуждения, незначительно превышает начальную. В предложенном CO-лазере в зоне резонатора реализована (не достижимая ранее) однородная возбужденная среда с высоким давлением, энергия в которой сосредоточена в основном на низких колебательных уровнях молекул CO, что позволяет получить более коротковолновое излучение или излучение на второй гармонике с более низкой расходимостью. At the exit from such a multi-electrode discharge chamber, the temperature of the excited gas medium cooled during the excitation process slightly exceeds the initial one. In the proposed CO laser, a homogeneous excited medium with a high pressure is realized in the cavity zone (previously unattainable), the energy in which is concentrated mainly at the low vibrational levels of CO molecules, which makes it possible to obtain shorter wavelength radiation or radiation at the second harmonic with a lower divergence.

В результате имеется возможность предельно повысить энерговклад и КПД излучения. Низкая температура возбужденного газа без ощутимых потерь колебательной энергии позволяет транспортировать его с дозвуковой скоростью в зону резонатора и снимать излучение, например, в режиме с модуляцией добротности не только между соседними колебательными уровнями, но и на второй гармонике. As a result, it is possible to maximize the energy input and radiation efficiency. The low temperature of the excited gas without significant loss of vibrational energy allows it to be transported at a subsonic speed to the cavity zone and to take radiation, for example, in the Q-switched mode not only between adjacent vibrational levels, but also at the second harmonic.

Использованные источники информации:
1. Масычев В.И. О возможности повышения КПД отпаянных лазеров на окиси углерода. Квантовая электроника, - 1979, т. 6, N 10. - с. 2195- 2198.Sources of information used:
1. Masychev V.I. On the possibility of increasing the efficiency of sealed carbon monoxide lasers. Quantum Electronics, - 1979, v. 6, N 10. - p. 2195-2198.

2. Головин А.С., Гурашвили В.А., Кочетов И.В., Курносов А.К., Напартович А. П. , Туркин Н.Г. "Непрерывный электроионизационный CO-лазер с дозвуковым потоком рабочей смеси", "Квантовая электроника", 23, N 5 (1996). 2. Golovin A.S., Gurashvili V.A., Kochetov I.V., Kurnosov A.K., Napartovich A.P., Turkin N.G. "Continuous electroionization CO laser with a subsonic flow of the working mixture", "Quantum Electronics", 23, N 5 (1996).

Claims (2)

1. Газоразрядный CO-лазер высокого давления с дозвуковым потоком рабочего газа, содержащий теплообменник, разрядную камеру с разнополярными электродами, подключенными к высоковольтному генератору, и резонатор, установленный на выходе разрядной камеры, отличающийся тем, что в качестве электродов использована система проводников, каждый из которых размещен внутри капиллярной диэлектрической трубки, зазор между капиллярными трубками меньше их диаметра, оси трубок перпендикулярны вектору потока рабочего газа, при этом теплообменник совмещен с капиллярными трубками путем соединения их полости с источником хладагента. 1. High-pressure CO discharge laser with a subsonic flow of the working gas, comprising a heat exchanger, a discharge chamber with bipolar electrodes connected to a high-voltage generator, and a resonator mounted at the output of the discharge chamber, characterized in that a conductor system is used as the electrodes, each of which are placed inside the capillary dielectric tube, the gap between the capillary tubes is smaller than their diameter, the tube axes are perpendicular to the working gas flow vector, while the heat exchanger is compatible puppy with capillary tubes by connecting their cavity with a source of refrigerant. 2. Газоразрядный CO-лазер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве проводника применено проводящее покрытие на внутренней поверхности трубки. 2. A gas-discharge CO laser according to claim 1, characterized in that a conductive coating on the inner surface of the tube is used as a conductor.

Images