RU2124255C1 - Electric-discharge laser - Google Patents
Electric-discharge laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2124255C1 RU2124255C1 RU96121024A RU96121024A RU2124255C1 RU 2124255 C1 RU2124255 C1 RU 2124255C1 RU 96121024 A RU96121024 A RU 96121024A RU 96121024 A RU96121024 A RU 96121024A RU 2124255 C1 RU2124255 C1 RU 2124255C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- current
- discharge
- gas
- electrodes
- Prior art date
Links
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться при создания мощных и сверхмощных газовых лазеров непрерывного и импульсно-периодического действия. The invention relates to the field of quantum electronics and can be used to create high-power and heavy-duty gas lasers of continuous and pulse-periodic action.
Одной из наиболее сложных проблем при создании мощных и сверхмощных газовых лазеров является возбуждение больших объемов активной среды с высокими удельными параметрами накачки. В настоящее время наиболее широко распространены устройства, использующие или несамостоятельный разряд, поддерживаемый электронным пучком (Патент США, N 3641454, United States Atomic Energy Commission, кл. H 01 S 3/02, 3/22, 3/09, Газовый лазер с электронной накачкой, заявл. 25.05.1970), или самостоятельный разряд с применением секционированных электродов, каждая секция которых нагружена на балластное сопротивление, ограничивающее ток разряда, и, тем самым, предотвращающее образование искрового канала в межэлектродном объеме (Патент Франции, N 2389258, кл. H 01 S 3/22, Косырев и др., Газовый лазер, заявл. 24.04.1978, приор. СССР 25.04.1977). One of the most difficult problems in creating high-power and super-powerful gas lasers is the excitation of large volumes of an active medium with high specific pump parameters. Currently, devices using either a non-self-sustained discharge supported by an electron beam are the most common (US Patent No. 3641454, United States Atomic Energy Commission, CL H 01 S 3/02, 3/22, 3/09, Gas laser with electronic pumped, claim 25.05.1970), or an independent discharge using sectioned electrodes, each section of which is loaded with a ballast resisting to limit the discharge current, and thereby preventing the formation of a spark channel in the interelectrode volume (French Patent No. 2389258, cl. H 01 S 3/22, Kosyrev et al., Ha calling laser, declared on 04.24.1978, prior USSR on 04.25.1977).
Недостатками лазеров, в которых несамостоятельный разряд контролируется электронным пучком, являются: сложность конструкции и большие габариты из-за наличия электронного ускорителя, малый срок службы в безостановочном режиме (~ 10 часов) из-за прорыва под действием электронного пучка металлической фольги, разделяющей вакуумную и газовую камеру, неоднородность накачки рабочей среды из-за большей скорости ионизации вблизи разделительной фольги. The disadvantages of lasers in which a non-self-sustained discharge is controlled by an electron beam are: design complexity and large dimensions due to the presence of an electron accelerator, short service life in non-stop mode (~ 10 hours) due to the breakdown of a metal foil separating the vacuum and gas chamber, inhomogeneous pumping of the working medium due to the higher ionization rate near the separation foil.
Недостатком лазеров, использующих для накачки самостоятельный разряд, является низкий КПД из-за неоптимальных условий накачки и больших потерь энергии на балластных сопротивлениях. The disadvantage of lasers using an independent discharge for pumping is their low efficiency due to non-optimal pumping conditions and large energy losses at ballast resistances.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является электроразрядный лазер (прототип) (Ru 2032972 C1, H 01 S 3/097, Осипов В. В., Электродразрядный лазер, опубл. 1995 г, приор. 1991 г.), который содержит газовую кювету с устройством для прокачки газа, два основных электрода и промежуточный, подключенные к генератору высоковольных импульсов, емкостным накопителям систем предварительной ионизации и через элемент, развязывающий высоковольтную и низковольную цепи питания, к основному источнику питания и основному емкостному накопителю. В качестве развязывающего элемента использован блок газоразрядных коммутаторов с самозапуском. Для накачки рабочей среды используется комбинированный разряд, когда между двумя электродам по одной электрической цепи зажигается кратковременный высоковольтный самостоятельный разряд (заменяющий электронный пучок), создающий плазму с заданной концентрацией, а основная доля энергии вводится в газ при распаде плазмы на стадии низковольтного несамостоятельного разряда по другой электронной цепи, что обеспечивает ввод энергии при оптимальных условиях. The closest in technical essence to the proposed device is an electric discharge laser (prototype) (Ru 2032972 C1, H 01 S 3/097, Osipov V.V., Electrodischarge laser, publ. 1995, prior. 1991), which contains a gas a cuvette with a device for pumping gas, two main electrodes and an intermediate one connected to a high-voltage pulse generator, capacitive storage of pre-ionization systems and through an element decoupling the high-voltage and low-voltage power circuits to the main power source and the main capacitive storage Liu. As a decoupling element, a block of gas discharge switches with self-starting was used. To pump the working medium, a combined discharge is used, when a short-term high-voltage independent discharge (replacing an electron beam) is ignited between two electrodes along one electric circuit, which creates a plasma with a given concentration, and the bulk of the energy is introduced into the gas during plasma decay at the stage of a low-voltage non-self-sustained discharge according to another electronic circuit that provides energy input under optimal conditions.
Критерием применимости комбинированного возбуждения с использованием развязывающего коммутатора является условие, что напряжение импульсного высоковольтного самостоятельного разряда не будет превышать более чем в два раза напряжение низковольтного несамостоятельного разряда. В противном случае произойдет самосрабатывание коммутатора который зашунтирует электродный промежуток. Это снижает диапазон рабочих давлений и объемов активной среды лазера. Кроме того, использованные в качестве коммутатора газовые разрядники, через которые передается порядка 95% всей мощности, вложенной в разряд, имеют ограниченный ресурс работы (порядка 108 включений), что снижает надежность устройства в целом.The applicability criterion for combined excitation using an isolation switch is the condition that the voltage of a pulsed high-voltage self-discharge will not exceed more than twice the voltage of a low-voltage non-self-discharge. Otherwise, self-operation of the switch will occur, which shunts the electrode gap. This reduces the range of operating pressures and volumes of the active medium of the laser. In addition, gas arresters used as a commutator, through which about 95% of the total power invested in the discharge is transmitted, have a limited service life (about 10 8 switches), which reduces the reliability of the device as a whole.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков - расширение диапазона рабочих напряжений (и следовательно, давления и объема активной среды) увеличение мощности, рассеиваемой в газе, и мощности излучения, увеличение ресурса работы устройства. The aim of the present invention is to remedy these disadvantages - expanding the range of operating voltages (and therefore, pressure and volume of the active medium), increasing the power dissipated in the gas, and radiation power, increasing the life of the device.
Указанная цель достигается если в электроразрядном лазере, содержащем газовую кювету с устройством для прокачки газа, два электрода, подключенные к генератору высоковольтных импульсов, емкостным накопителям системы предварительной ионизации и через элемент (индуктивность), развязывающий высоковольтную и низковольтную цепи питания, к основному источнику питания и основному емкостному накопителю, и два токоограничивающих резистора, к электродам подключен дополнительный емкостной накопитель, соединенный с ними через токоограничивающий резистор и блок высоковольтных диодов, а также соединенный через другой токоограничивающий резистор с основным источником питания, при этом сопротивление первого токоограничивающего резистора выбрано меньшим, чем сопротивление тлеющего разряда между электродами. This goal is achieved if, in an electric-discharge laser containing a gas cell with a device for pumping gas, two electrodes connected to a high-voltage pulse generator, capacitive storage of the preliminary ionization system and through an element (inductance) decoupling the high-voltage and low-voltage power circuits to the main power source and the main capacitive storage, and two current-limiting resistors, an additional capacitive storage is connected to the electrodes, connected to them through current-limiting a resistor and a block of high-voltage diodes, as well as connected through another current-limiting resistor to the main power source, while the resistance of the first current-limiting resistor is chosen lower than the glow discharge resistance between the electrodes.
В заявляемом решении отличительные признаки:
подключение к электродам дополнительного емкостного накопителя, соединенного с ними через токоограничивающий резистор и блок высоковольтных диодов, а также соединенного через другой токоограничивающий резистор с основным источником питания, при этом сопротивление первого токоограничивающего резистора выбрано меньшим, чем сопротивление тлеющего разряда между электродами.In the claimed solution, the distinguishing features are:
connection to the electrodes of an additional capacitive storage connected to them through a current-limiting resistor and a block of high-voltage diodes, as well as connected through another current-limiting resistor to the main power source, while the resistance of the first current-limiting resistor is chosen lower than the glow discharge resistance between the electrodes.
Технический результат обусловлен тем, что:
после зажигания между электродами самостоятельного разряда от основного емкостного накопителя через разрядный промежуток начинает протекать ток, ограничиваемы развязывающим элементом (индуктивностью), включенным в цепь разряда. В тоже время, ток от дополнительного емкостного накопителя начинает сразу же протекать через разрядный промежуток, при этом плотность тока обусловлена только проводимостью плазмы разряда и сопротивлением токоограничивающего резистора, включенного в цепь разряда, которое выбрано таким образом, что оно меньше, чем сопротивление тлеющего разряда между электродами и служит для защиты блока высоковольтных диодов от перегрузки по току при искровом пробое разрядного промежутка, таким образом, практически не ограничивая величину плотности тока при горении тлеющего разряда. Величина емкости дополнительного накопителя выбирается так, чтобы обеспечивалась максимально возможная (обусловленная проводимостью плазмы разряда) плотность тока в разрядном промежутке во время нарастания тока через индуктивность, и в то же время энергия, вводимая в разряд от дополнительного накопителя, не превышала допустимую мощность рассеивания блока высоковольтных диодов. Таким образом, уже на начальной стадии несамостоятельного разряда обеспечивается высокий энерговклад в активную среду. Отсутствие газоразрядного коммутатора позволяет изменять соотношение напряжений самостоятельного и несамостоятельного разрядов в широком диапазоне. А использованные в блоке высоковольтные диоды имеют примерно в 104 раз больший ресурс работы.The technical result is due to the fact that:
after ignition between the electrodes of an independent discharge from the main capacitive storage, a current begins to flow through the discharge gap, limited by a decoupling element (inductance) included in the discharge circuit. At the same time, the current from the additional capacitive storage device begins to flow immediately through the discharge gap, while the current density is determined only by the conductivity of the discharge plasma and the resistance of the current-limiting resistor included in the discharge circuit, which is chosen so that it is less than the glow discharge resistance between electrodes and serves to protect the block of high-voltage diodes from overcurrent during spark breakdown of the discharge gap, thus, practically without limiting the density value t eye when burning a glow discharge. The capacity of the additional drive is selected so that the maximum possible (due to the conductivity of the discharge plasma) current density in the discharge gap during the increase in current through the inductance is provided, and at the same time, the energy introduced into the discharge from the additional drive does not exceed the allowable dissipation power of the high-voltage block diodes. Thus, already at the initial stage of the non-self-sustained discharge, a high energy input into the active medium is ensured. The absence of a gas discharge switch allows changing the ratio of voltages of independent and non-independent discharges in a wide range. And the high-voltage diodes used in the unit have about 10 4 times longer service life.
Следовательно, такой подход позволяет увеличить объем и давление возбуждаемой среды без снижения удельных энергетических характеристик устройства, повысить мощность, рассеянную в газе, и мощность излучения, повысить ресурс работы устройства. Therefore, this approach allows you to increase the volume and pressure of the excited medium without reducing the specific energy characteristics of the device, increase the power dissipated in the gas, and the radiation power, increase the life of the device.
На чертеже показана блок-схема электроразрядного лазера, в котором электрод 1 подключен к генератору высоковольтных импульсов 3 и обкладкам конденсаторов 7 (вторые обкладки которых подключены к электродам системы предварительной ионизации 8), через индуктивность 12 к основному емкостному накопителю 5 и основному источнику питания 4, а через токоограничивающий резистор 10 и блок высоковольтных диодов 11 к дополнительному емкостному накопителю 14, который через токоограничивающий резистор 13 соединен с основным источником питания. Электрод 2 подключен к генератору высоковольтных импульсов 3 и обкладкам конденсаторов 6 (вторые обкладки которых подключены к электродам системы предварительной ионизации 9), к дополнительному емкостному накопителю 14, основному емкостному накопителю 5 и основному источнику питания 4. The drawing shows a block diagram of an electric discharge laser, in which the electrode 1 is connected to a high-voltage pulse generator 3 and capacitor plates 7 (the second plates of which are connected to the electrodes of the pre-ionization system 8), through inductance 12 to the main capacitive storage 5 and the main power source 4, and through a current-limiting resistor 10 and a block of high-voltage diodes 11 to an additional capacitive storage 14, which is connected through a current-limiting resistor 13 to the main power source. The electrode 2 is connected to the generator of high-voltage pulses 3 and the plates of the capacitors 6 (the second plates of which are connected to the electrodes of the pre-ionization system 9), to the additional capacitive storage 14, the main capacitive storage 5 and the main power supply 4.
Устройство, приведенное на чертеже, работает следующим образом. The device shown in the drawing, operates as follows.
В исходном состоянии батарея конденсаторов 5 заряжена от основного источника питания 4 до напряжения U1, оптимального для возбуждения молекул CO2 в состояние 001 (верхний лазерный уровень). Батарея конденсаторов 14 заряжена от основного источника питания 4 через сопротивление 13, величина которого выбрана таким образом, чтобы обеспечить заряд конденсаторов до напряжения U1 за время между двумя последовательными импульсами высоковольтного генератора 3. Конденсаторы 6, 7 не заряжены. При подаче импульса напряжения амплитудой U2, оптимальной для создания плазмы в разрядном промежутке, от высоковольтного генератора 3 на электроды 1-2, на фронте этого импульса зажигается вспомогательный разряд в промежутках 1-9 и 2-8, производящий предварительную ионизацию рабочей среды между электродами 1-2. Конденсаторы 6, 7 при этом заряжаются. При достижении пробивного напряжения между электродами 1-2 загорается самостоятельный разряд. Плазма, созданная этим разрядом, проводит ток от дополнительного емкостного накопителя 14, которым производится накачка рабочей среды. Поскольку блок высоковольтных диодов 11 практически не ограничивает величину протекающего через него тока, а величина сопротивления 10, предназначенного для защиты диодов 11 от перегрузки по току при искровом пробое разрядного промежутка 1-2, мала относительного сопротивления тлеющего разряда, то плотность тока через разрядный промежуток 1-2 определяется только проводимостью плазмы разряда. После нарастания тока через индуктивность 12 от основного емкостного накопителя 5, снижения напряжения на дополнительном емкостном накопителе 14, и превышения величины тока через индуктивность 12 над величиной тока через диоды 11, основная доля энергии в разряд будет вводится от основного накопителя 5. Величина емкости дополнительного накопителя 14 выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась максимально возможная плотность тока в разрядном промежутке во время нарастания тока через индуктивность 12, и в то же время энергия, вводимая в разряд от дополнительного накопителя 14, не превышала допустимую мощность рассеивания блока высоковольтных диодов 11. Конденсаторы 6, 7 разряжаются через плазму разрядов 9-1-2 и 8-2-1 соответственно. Поскольку при оптимальном, с точки зрения накачки лазера, напряжении U1, воздействующем на плазму, ионизация среды не восполняет убыль заряженных частиц вследствие рекомбинации, ток уменьшается. Поддержание разряда восполнением зарядоносителей осуществляется подачей импульсного напряжения амплитудой U2 от генератора 3. При этом указанный процесс повторяется.In the initial state, the capacitor bank 5 is charged from the main power source 4 to a voltage of U 1 optimal for excitation of CO 2 molecules in state 001 (upper laser level). The capacitor bank 14 is charged from the main power source 4 through a resistance 13, the value of which is selected so as to ensure that the capacitors are charged to a voltage of U 1 during the time between two consecutive pulses of the high-voltage generator 3. The capacitors 6, 7 are not charged. When a voltage pulse with an amplitude of U 2 , which is optimal for creating a plasma in the discharge gap, is supplied from the high-voltage generator 3 to the electrodes 1-2, an auxiliary discharge is ignited at the front of this pulse in the spaces 1-9 and 2-8, which preliminary ionizes the working medium between the electrodes 1-2. Capacitors 6, 7 are being charged. When the breakdown voltage between the electrodes 1-2 is reached, an independent discharge lights up. The plasma created by this discharge conducts current from an additional capacitive storage 14, which is used to pump the working medium. Since the block of high-voltage diodes 11 practically does not limit the amount of current flowing through it, and the resistance value 10, designed to protect the diodes 11 from current overload during spark breakdown of the discharge gap 1-2, is small relative resistance of the glow discharge, the current density through the discharge gap 1 -2 is determined only by the conductivity of the discharge plasma. After increasing the current through the inductance 12 from the main capacitive storage 5, reducing the voltage at the additional capacitive storage 14, and exceeding the current through the inductance 12 over the current through the diodes 11, the main part of the energy will be introduced into the discharge from the main storage 5. The capacity of the additional storage 14 is selected in such a way as to ensure the maximum possible current density in the discharge gap during a rise in current through the inductance 12, and at the same time, the energy introduced into the discharge d from the additional drive 14 does not exceed the allowable power dissipation unit 11. The high-voltage diodes capacitors 6, 7 are discharged through the plasma discharge 9-1-2 and 8-2-1, respectively. Since, at the optimum voltage U 1 acting on the plasma from the point of view of laser pumping, the ionization of the medium does not compensate for the loss of charged particles due to recombination, the current decreases. Maintaining the discharge by replenishing the charge carriers is carried out by applying a pulse voltage of amplitude U 2 from the generator 3. This process is repeated.
Предложенный лазер по сравнению с прототипом позволяет достичь больших мощностей, увеличить разрядный объем и давление активной среды без снижения удельных энергетических характеристик, повысить ресурсов работы устройства. The proposed laser in comparison with the prototype allows you to achieve high power, increase the discharge volume and pressure of the active medium without reducing the specific energy characteristics, increase the life of the device.
Работоспособность предлагаемого устройства проверена на примере CO2 лазера с объемом активной среды 4х3х80 см, заполненным рабочей смесью газов, в которой содержалось 4 мм.рт.ст. CO2, 32 мм.рт.ст. N2, 46 мм.рт.ст. He, 12 мм. рт.ст. H2. Для обеспечения предварительной ионизации рабочей среды использовались два ряда вспомогательных острийных электродов 8, 9, установленных на расстоянии 5 мм перед электродами 1, 2 по потоку газа. Расстояние между остриями 1 см. Суммарная емкость конденсаторов 6, 7 подсветки составляла 1,5 нФ. От высоковольтного генератора 3 подавались импульсы напряжения амплитудой U2 = 12 кВ, длительностью 100 нс, с частотой 700 Гц. Емкость конденсаторной батареи 5 составляла 6 мкФ, зарядное напряжение U1 = 3 кВ. Емкость дополнительного накопителя 14 составляла 0,5 мкФ. Блок диодов 11 состоял из 4 последовательно соединенных блоков диодов КЦ109А. Величина сопротивления 10 составляла 5 Ом, сопротивления 13 - 50 Ом. Индуктивность 12 составляла порядка 100 мкГн. В таких условиях зарегистрирована средняя удельная мощность, введенная в газ, 10 Вт/см, что подтверждает положительный эффект заявляемого устройства.The operability of the proposed device is tested on the example of a CO 2 laser with an active medium volume of 4x3x80 cm filled with a working gas mixture, which contained 4 mmHg. CO 2 , 32 mmHg N 2 , 46 mmHg He, 12 mm. Hg H 2 . To ensure the preliminary ionization of the working medium, two rows of auxiliary tip electrodes 8, 9 installed at a distance of 5 mm in front of the electrodes 1, 2 in the gas flow were used. The distance between the tips is 1 cm. The total capacitance of the backlight capacitors 6, 7 was 1.5 nF. From the high-voltage generator 3, voltage pulses with an amplitude of U 2 = 12 kV, a duration of 100 ns, and a frequency of 700 Hz were supplied. The capacitance of the capacitor bank 5 was 6 μF, the charging voltage U 1 = 3 kV. The capacity of the additional drive 14 was 0.5 μF. The block of diodes 11 consisted of 4 series-connected blocks of diodes KTs109A. The resistance value 10 was 5 Ohms, the resistance 13 - 50 Ohms. Inductance 12 was of the order of 100 μH. In such conditions, the average specific power input to the gas is recorded, 10 W / cm, which confirms the positive effect of the inventive device.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96121024A RU2124255C1 (en) | 1996-10-24 | 1996-10-24 | Electric-discharge laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96121024A RU2124255C1 (en) | 1996-10-24 | 1996-10-24 | Electric-discharge laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU96121024A RU96121024A (en) | 1998-12-20 |
| RU2124255C1 true RU2124255C1 (en) | 1998-12-27 |
Family
ID=20186850
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96121024A RU2124255C1 (en) | 1996-10-24 | 1996-10-24 | Electric-discharge laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2124255C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2541417C1 (en) * | 2013-11-05 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук(ФИАН) | Phocon semiconductor electric-discharge laser |
-
1996
- 1996-10-24 RU RU96121024A patent/RU2124255C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| HILL A.E. Appl. Phys. Lett. 1973, v. 22, N 12, p. 670 - 673. Байбородин Ю.В. Справочник по лазерной технике. - Киев: Техника, 1978, с.104. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2541417C1 (en) * | 2013-11-05 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук(ФИАН) | Phocon semiconductor electric-discharge laser |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5247531A (en) | Apparatus for preionizing apulsed gas laser | |
| US4534035A (en) | Tandem electric discharges for exciting lasers | |
| Taylor et al. | Microsecond duration optical pulses from a UV‐preionized XeCl laser | |
| US8173075B2 (en) | Device for generation of pulsed corona discharge | |
| EP0589494B1 (en) | Discharge exciting pulse laser device | |
| Kozlov et al. | High-voltage pulse generators for effective pumping of super-atmospheric pressure CO2-lasers | |
| RU2124255C1 (en) | Electric-discharge laser | |
| US4547883A (en) | Long pulse laser with sequential excitation | |
| US5159243A (en) | Hollow electrode switch | |
| JPS62249493A (en) | Eximer laser device provideo with automatic preliminary ionization | |
| CA2066804C (en) | Discharge-pumped gas laser with independent preionizing circuit | |
| US20070297479A1 (en) | Triggered spark gap | |
| RU2017289C1 (en) | Device for pumping of gas flowing laser | |
| RU2107366C1 (en) | Electric-discharge laser | |
| RU2141708C1 (en) | Device for pumping high-power pulse-periodic gas laser | |
| EP0652612B1 (en) | Pulsed laser discharge stabilization | |
| RU2144723C1 (en) | Pulse-periodic electrical-discharge laser | |
| RU2029423C1 (en) | Method of generation in gas electric discharge laser and gas electric discharge laser | |
| JPS61216373A (en) | Pulse laser apparatus | |
| RU2032972C1 (en) | Electric discharge laser | |
| RU2089981C1 (en) | Set of electrodes for shaping self-maintained space discharge | |
| Panchenko et al. | Pulsed gas lasers pumped by generators with inductive energy storage | |
| JP3771690B2 (en) | Pulse laser discharge circuit | |
| RU2230409C2 (en) | Pulsed chemical element vapor laser | |
| RU2216836C2 (en) | Pulse gas laser based on mixtures of inert gases with halogenides |