RU2017289C1

RU2017289C1 - Device for pumping of gas flowing laser

Info

Publication number: RU2017289C1
Authority: RU
Inventors: В.В. Боровков; В.В. Воронин; С.Л. Воронов; Б.В. Лажинцев; В.А. Нор-Аревян; В.А. Тананакин; Г.И. Федоров
Original assignee: Лажинцев Борис Васильевич
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1990-12-21
Publication date: 1994-07-30

Abstract

FIELD: pulsed periodic lasers. SUBSTANCE: device has two main electrodes 1, 2 directly coupled to power supply source 4, controlling electrode 5 located between main ones which is connected in addition to electric circuit 6, 7 together with main electrodes. Controlling electrode can divide distance between main ones with relation 1:2. Central parts of electrodes are produced from plates 10 which projection on to plane of electrodes form cellular square structure with diagonals turned through angle with reference to optical axis of resonator. EFFECT: simplified design, increased reliability. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройству возбуждения импульсно-периодических лазеров, и может быть использовано в решении технологических и лазерно-химических задач. Предпочтительно использовать предложенное устройство для лазерно-активных сред на основе XeCl, Ar-Xe и др. The invention relates to quantum electronics, and in particular to a device for exciting pulse-periodic lasers, and can be used in solving technological and laser-chemical problems. It is preferable to use the proposed device for laser-active media based on XeCl, Ar-Xe, etc.

Известно устройство для накачки газового проточного лазера самостоятельным объемным разрядом, в котором один из основных электродов подключен к источнику энергопитания через 27 искровых промежутков, расположенных вдоль его боковых сторон и являющихся системой предварительной ионизации области разряда, а другой основной электрод подключен к источнику энергопитания через тиратрон или разрядник. Кроме того, основные электроды непосредственно через минимальную индуктивность подключены к конденсаторной батарее. При срабатывании тиратрона или разрядника происходит пробой искровых промежутков и предварительная ионизация области разряда, а на конденсаторной батарее начинает нарастать напряжение и при его достаточной величине происходит пробой разрядного промежутка между двумя основными электродами и формируется объемный разряд для накачки лазера. Емкость конденсаторной батареи и время ее зарядки подбираются такими, чтобы до формирования объемного разряда практически полностью передать электрическую энергию из источника энергопитания в конденсаторную батарею. Электроды выполнены сплошными. Поток газовой лазерной среды формируется поверхностями электродов, контактирующими с разрядом, и направлен перпендикулярно вектору электрического поля в разрядном промежутке. A device is known for pumping a gas flow laser with an independent volume discharge, in which one of the main electrodes is connected to the power source through 27 spark gaps located along its sides and which is a system of preliminary ionization of the discharge region, and the other main electrode is connected to the power source through a thyratron or arrester. In addition, the main electrodes are connected directly to the capacitor bank via a minimum inductance. When a thyratron or a spark gap is triggered, breakdown of spark gaps occurs and preliminary ionization of the discharge region occurs, and the voltage starts to build up on the capacitor bank and, when it is sufficient, breakdown of the discharge gap occurs between the two main electrodes and a volume discharge is formed to pump the laser. The capacitance of the capacitor bank and its charging time are selected such that, until the formation of the volume discharge, almost completely transfer electric energy from the power source to the capacitor bank. The electrodes are solid. The flow of the gas laser medium is formed by the surfaces of the electrodes in contact with the discharge and is directed perpendicular to the vector of the electric field in the discharge gap.

К недостаткам данного устройства следует отнести напряженный режим работы тиратрона или разрядника, которые коммутируют полную энергетику, запасенную в источнике энергопитания. При увеличении энергетики устройства возникают большие сложности с этими элементами. Кроме того, с увеличением энергетики время переброса энергии в конденсаторную батарею увеличивается, что приводит к режимам работы при напряжениях, близких к статическим пробойным напряжениям для данной конструкции и состава рабочей смеси, т.е. снижению коэффициента импульса и как следствие - к уменьшению удельной мощности ввода энергии. The disadvantages of this device include the intense operation of a thyratron or a spark gap, which commute the full energy stored in the power source. With an increase in the energy of the device, great difficulties arise with these elements. In addition, with increasing energy, the time of energy transfer to the capacitor bank increases, which leads to operating modes at voltages close to the static breakdown voltages for this design and the composition of the working mixture, i.e. a decrease in the momentum coefficient and, as a consequence, a decrease in the specific power of energy input.

Известно устройство для накачки газового лазера самостоятельным объемным разрядом, в котором один из основных электродов подключен непосредственно к источнику предварительного разряда, другой же основной электрод подключен к источнику энергопитания через магнитный коммутатор, а к источнику предварительного разряда подключен через управляемый разрядник. Источником предварительной ионизации является искровой скользящий разряд, размещенный с тыльной стороны сетчатого основного электрода, непосредственно подключенного к источнику энергопитания. Излучение разряда проходит через сетчатый электрод и ионизирует разрядный промежуток. После срабатывания источника предварительной ионизации и подключения к разрядному промежутку через управляемый разрядник источника предварительного разряда формируется слаботочная фаза объемного разряда. Ток разряда начинает увеличиваться и после достижения им величины тока насыщения магнитного коммутатора (насыщающегося дросселя) индуктивность коммутатора падает. В результате этого резко увеличивается разрядный ток и источник энергопитания эффективно разряжается на плазму объемного разряда. A device is known for pumping a gas laser with an independent volume discharge, in which one of the main electrodes is connected directly to the source of the preliminary discharge, the other main electrode is connected to the power source through a magnetic switch, and connected to the source of the preliminary discharge through a controlled spark gap. The source of preliminary ionization is a sliding spark discharge located on the back side of the mesh main electrode directly connected to the power supply source. The discharge radiation passes through a mesh electrode and ionizes the discharge gap. After the pre-ionization source is triggered and connected to the discharge gap, a low-current phase of the volume discharge is formed through the controlled arrester of the preliminary discharge source. The discharge current begins to increase, and after it reaches the saturation current of the magnetic switch (saturable inductor), the inductance of the switch decreases. As a result of this, the discharge current sharply increases and the power supply source is effectively discharged to a volume discharge plasma.

К недостаткам этого устройства следует отнести конструктивные сложности, связанные с изготовлением и малоиндуктивным размещением магнитного коммутатора, рассчитанного на полную энергетику источника, снижение КПД устройства накачки из-за потерь электрической энергии в коммутаторе и неоптимальности формы токового импульса на разрядном промежутке. При увеличении энергии источника энергопитания эти недостатки проявляются сильнее. The disadvantages of this device include structural difficulties associated with the manufacture and low-inductance placement of a magnetic switch designed for the full energy of the source, a decrease in the efficiency of the pump device due to the loss of electrical energy in the switch and the non-optimal shape of the current pulse in the discharge gap. With an increase in the energy of the energy source, these shortcomings manifest themselves more strongly.

Целью изобретения является повышение КПД устройства для накачки лазера самостоятельным объемным разрядом и упрощение конструкции. The aim of the invention is to increase the efficiency of a device for pumping a laser with an independent volume discharge and simplify the design.

Поставленная цель достигается тем, что для накачки газового проточного лазера, включающего два основных электрода, установленных параллельно и ограничивающих область электрического разряда, один из которых непосредственно подключен к источнику энергопитания, дополнительный электрический контур, подключенный к основным электродам, систему предварительной ионизации области разряда, устройство формирования потока газа в области разряда, другой основной электрод непосредственно подключен к источнику энергопитания, а между основными электродами параллельно им в области разряда установлен управляющий электрод, который подсоединен по крайней мере к одному основному электроду через конденсаторы дополнительного электрического контура. This goal is achieved by the fact that for pumping a gas flow laser, which includes two main electrodes installed in parallel and limiting the region of the electric discharge, one of which is directly connected to the power supply, an additional electric circuit connected to the main electrodes, a system for preliminary ionization of the discharge region, a device the formation of a gas flow in the discharge region, the other main electrode is directly connected to the power source, and between the main Electrode parallel thereto is mounted in the discharge control electrode which is connected to at least one main electrode through capacitors additional electric circuit.

Управляющий электрод делит расстояние между основными электродами в соотношении 1:2. The control electrode divides the distance between the main electrodes in a ratio of 1: 2.

Устройство формирования потока газа в области разряда выполнено в виде сквозных отверстий в центральной части основных и управляющего электродов для прохождения неоднородного потока газа в направлении, перпендикулярном плоскостям электродов. The device for generating a gas flow in the discharge region is made in the form of through holes in the central part of the main and control electrodes for passing an inhomogeneous gas flow in the direction perpendicular to the planes of the electrodes.

В другом варианте выполнения по крайней мере тело одного из основных электродов и тело управляющего электрода в области разрядов выполнено из пластин, расположенных перпендикулярно плоскости электрода, проекции которых на эту плоскость образуют квадратную ячеистую структуру с диагоналями ячеек, повернутыми относительно осевых линий электродов на угол Ψ= d/l, где d - расстояние между диагоналями соседних ячеек; l - длина пластинчатой части электродов, при этом система предварительной ионизации расположена с тыльной стороны основного электрода. In another embodiment, at least the body of one of the main electrodes and the body of the control electrode in the discharge region are made of plates located perpendicular to the plane of the electrode, the projections of which onto this plane form a square mesh structure with diagonals of cells rotated relative to the axial lines of the electrodes by an angle Ψ = d / l, where d is the distance between the diagonals of neighboring cells; l is the length of the plate part of the electrodes, while the preliminary ionization system is located on the back of the main electrode.

Указанные отличия позволяют исключить коммутирующие элементы - тиратроны, разрядники или насыщающиеся дроссели из электрической цепи, передающие полную энергетику устройства, что повышает КПД устройства и упрощает его конструкцию, особенно при увеличении энергетики устройства, а также улучшает надежность и ресурс работы устройства; оптимально, исходя из выбранных режимов работы, организовать движение газа в области разряда, снизить его расход и сопротивление газовому потоку, что увеличивает КПД устройства формирования потока газа в области разряда, а следовательно, и КПД устройства в целом. These differences make it possible to exclude switching elements - thyratrons, surge arresters or saturable chokes from the electric circuit that transmit the full energy of the device, which increases the efficiency of the device and simplifies its design, especially when increasing the energy of the device, and also improves the reliability and service life of the device; optimally, based on the selected operating modes, to organize the movement of gas in the region of the discharge, to reduce its consumption and resistance to gas flow, which increases the efficiency of the device for generating gas flow in the region of the discharge, and therefore the efficiency of the device as a whole.

На фиг. 1 изображено предложенное устройство при формировании потока газа в направлении, перпендикулярном плоскости электродов; на фиг.2 - то же, при движении потока газа параллельно плоскости электродов; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1. In FIG. 1 shows the proposed device when forming a gas flow in a direction perpendicular to the plane of the electrodes; figure 2 is the same when the gas flow is parallel to the plane of the electrodes; figure 3 is a section aa in figure 1.

Устройство содержит два установленных параллельно основных электрода 1 и 2, ограничивающих область 3 самостоятельного объемного разряда. Оба электрода 1 и 2 непосредственно подсоединены к источнику энергопитания 4 (конденсаторной батарее). Между основными электродами 1 и 2 параллельно им установлен управляющий 5 электрод, который вместе с одними или двумя основными электродами 1 и 2 подсоединен к дополнительному электрическому контуру, включающему конденсаторную батарею 6 и источник импульсного напряжения 7. Система предварительной ионизации 8 располагается за одним из основных электродов 1. Устройством формирования потока газа в области разряда в направлении, перпендикулярном плоскостям электродов 1,2,5 (фиг.1), являются отверстия 9 между пластинами 10 и дополнительные 11 отверстия, наличие которых необходимо в некоторых случаях. Ширина области 12, занятой пластинами 10, в 1,2-1,5 раза шире области разряда 3, а площадь отверстий 9 между пластинами 10 составляет 80-100% общей площади всех отверстий 9 и 11. Площадь дополнительных отверстий 11 может составлять до 20% площади. The device contains two parallel installed main electrodes 1 and 2, limiting region 3 of an independent volume discharge. Both electrodes 1 and 2 are directly connected to power supply 4 (capacitor bank). Between the main electrodes 1 and 2, a control electrode 5 is installed in parallel with it, which, together with one or two main electrodes 1 and 2, is connected to an additional electric circuit, including a capacitor bank 6 and a pulse voltage source 7. The preliminary ionization system 8 is located behind one of the main electrodes 1. The device for forming a gas flow in the discharge region in the direction perpendicular to the planes of the electrodes 1,2,5 (figure 1) are the holes 9 between the plates 10 and an additional 11 holes tia, the presence of which is necessary in some cases. The width of the region 12 occupied by the plates 10 is 1.2-1.5 times wider than the discharge region 3, and the area of the openings 9 between the plates 10 is 80-100% of the total area of all openings 9 and 11. The area of the additional openings 11 can be up to 20 % of the area.

Предложенное устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.

Создается поток газовой смеси в области самостоятельного объемного разряда 3 с помощью устройства формирования потока газа. В первом варианте (см. фиг. 1) в направлении, перпендикулярном плоскостям электродов 1,2,5, с помощью отверстий 9 между пластинами 10 и дополнительных отверстий 11 в электродах 1,2,5. A gas mixture flow is created in the region of independent volume discharge 3 using a gas flow formation device. In the first embodiment (see Fig. 1) in the direction perpendicular to the planes of the electrodes 1,2,5, using holes 9 between the plates 10 and additional holes 11 in the electrodes 1,2,5.

Источник энергопитания устройства накачки газового лазера (конденсаторную батарею) заряжают до рабочего напряжения U_осн с помощью источника зарядки за время, меньшее времени между двумя последовательными импульсами накачки и генерации лазера. Напряжение U_осн составляет 80-95% от напряжения самопробоя газового промежутка между электродами 1 и 2. В случае, если управляющий электрод делит расстояние между основными и управляющим электродами в соотношении 1:2, на управляющем электроде синхронно во время зарядки основного источника энергопитания подают напряжение U_осн/3. После полной зарядки основного источника энергопитания 4 и дополнительного контура 6,7 включают систему предварительной ионизации 8. Затем с задержкой от нескольких десятков до сотен наносекунд (в зависимости от состава рабочей лазерной смеси) на управляющий электрод 5 подают высоковольтный импульс напряжения от источника импульсного напряжения 7, равный U_осн. В результате на первой стадии между электродами 1 и 5 формируется объемный разряд, а затем такой же разряд формируется между электродами 5 и 2 и происходит возбуждение лазерной среды самостоятельным объемным разрядом между электродами 1 и 2.The energy source of the gas laser pumping device (capacitor bank) is charged to the operating voltage U _main using a charging source for a time less than the time between two consecutive pulses of pumping and laser generation. The voltage U _main is 80-95% of the self-breakdown voltage of the gas gap between the electrodes 1 and 2. In the event that the control electrode divides the distance between the main and control electrodes in a ratio of 1: 2, the voltage is applied to the control electrode while charging the main power source U _DOS / 3. After the main power supply 4 and the auxiliary circuit 6.7 are fully charged, the pre-ionization system 8 is turned on. Then, with a delay of several tens to hundreds of nanoseconds (depending on the composition of the working laser mixture), a high-voltage voltage pulse from a pulse voltage source 7 is supplied to the control electrode 5 equal to U _DOS . As a result, at the first stage, a volume discharge is formed between electrodes 1 and 5, and then the same discharge is formed between electrodes 5 and 2 and the laser medium is excited by an independent volume discharge between electrodes 1 and 2.

Рассмотрим конкретную схему реализации устройства на примере электроразрядного лазера на смеси Ne:Xe:HCl = 1500:20:1 с общим давлением 2-3 атм, реализованную во ВНИИЭФ. Расстояние между электродами 1 и 2 равно 33 мм. Расстояние между рабочими поверхностями управляющего электрода 5 и электродов 1 и 2 равно 20 и 10 мм. Длина зоны возбуждения составляет 600 мм. Ширина области 3 разряда 20-25 мм, ширина области 12; занятой пластинами 10, выполненными из никеля толщиной 0,3 мм, составляет 30 мм. Шаг пластинчатой структуры вдоль оптической оси составляет 1 мм. Система предварительной ионизации 8 выполнена из набора штырей диаметром 2 мм с расстоянием вдоль оптической оси ≈6 мм. Искры системы предварительной ионизации развиваются между штырями и тыльной, стороной электрода 1. Источником энергопитания 4 является конденсаторная батарея емкостью до 0,15 мкФ и напряжением зарядки до U_осн ≈ 4-10 кВ. Конденсаторную батарею 6 емкостью ≈ 3 нФ подсоединяют к электродам 1 и 5. Источником импульсного напряжения 7 является емкость ≈3 нФ, заряженная до напряжения 1,4 U_осн, которая с помощью разрядника коммутируется на земляную шину-электрод 2. Устройство формирования потока 2 и вентилятор создают в рабочем промежутке скорость газа ≈ 5 мс^-1, что позволяет работать с частотой ≈ 100 Гц. Энергия генерации составляет 0,2-0,35 Дж, а КПД до 1%.Let us consider a specific implementation scheme of the device using the example of an electric discharge laser based on a Ne: Xe: HCl = 1500: 20: 1 mixture with a total pressure of 2-3 atm, implemented at VNIIEF. The distance between the electrodes 1 and 2 is 33 mm. The distance between the working surfaces of the control electrode 5 and electrodes 1 and 2 is 20 and 10 mm. The length of the excitation zone is 600 mm. The width of region 3 of the discharge is 20-25 mm, the width of region 12; occupied by plates 10 made of nickel with a thickness of 0.3 mm, is 30 mm The step of the plate structure along the optical axis is 1 mm. The preliminary ionization system 8 is made of a set of pins with a diameter of 2 mm with a distance along the optical axis of ≈6 mm. Sparks of the preliminary ionization system develop between the pins and the back side of the electrode 1. The power supply 4 is a capacitor bank with a capacity of up to 0.15 μF and a charging voltage of up to U _main ≈ 4-10 kV. A capacitor bank 6 with a capacity of ≈ 3 nF is connected to the electrodes 1 and 5. The source of the pulse voltage 7 is a capacitance of ≈3 nF, charged to a voltage of 1.4 U _main , which is switched by an arrester to the ground bus-electrode 2. The device for forming flow 2 and the fan creates a gas velocity of ≈ 5 ms ^-1 in the working interval, which allows operation with a frequency of ≈ 100 Hz. The generation energy is 0.2-0.35 J, and the efficiency is up to 1%.

Таким образом, в результате использования предлагаемого устройства может быть создан эксимерный лазер с помощью лазерного излучения до киловатта за счет отсутствия энергонапряженных элементов конструкции - коммутаторов в основной энергетической цепи, что позволяет дополнительно значительно повысить ресурс, надежность и КПД таких лазеров при одновременном упрощении конструкции. Thus, as a result of using the proposed device, an excimer laser can be created using laser radiation up to kilowatts due to the absence of energy-stressed structural elements - switches in the main energy circuit, which can further significantly increase the resource, reliability and efficiency of such lasers while simplifying the design.

Claims

1. A GAS FLOW LASER PUMPING DEVICE, including two main electrodes installed in parallel and limiting the electric discharge region, one of which is directly connected to the power supply source, an additional electric circuit connected to the main electrodes, a system for preliminary ionization of the discharge region, a gas flow formation device in the discharge region, characterized in that, in order to increase the efficiency of the device for pumping the laser by an independent volume discharge and simplify it of construction, the other main electrode is directly connected to the power supply source, and between the main electrodes, in parallel to them in the discharge region, a control electrode is installed, which is connected to at least one main electrode via capacitors of the additional electric circuit.

2. The device according to claim 1, characterized in that the control electrode divides the distance between the main electrodes in a ratio of 1: 2.

3. The device according to claim 1, characterized in that the device for generating a gas flow in the discharge region is made in the form of through holes in the central part of the main and control electrodes for passing an inhomogeneous gas flow in the direction perpendicular to the planes of the electrodes.

4. The device according to claim 1, characterized in that at least the body of one of the main electrodes and the body of the control electrode in the discharge region are made of plates located perpendicular to the plane of the electrode, the projections of which onto this plane form a square cellular structure with cell diagonals, rotated relative to the axial lines of the electrodes by an angle φ = d / l, where d is the distance between the diagonals of adjacent cells, l is the length of the plate part of the electrodes, while the preliminary ionization system is located on the back of the new electrode.