электроразрядный многотрубчатый лазер с диффузионным охлаждением газовой смеси

Формула изобретения

1. Электроразрядный многотрубчатый лазер с диффузионным охлаждением газовой смеси, включающий в свой состав коробчатый корпус с торцевыми фланцами, газоразрядные трубы, расположенные в виде пакета внутри корпуса вдоль его оси и вставленные в отверстия в торцевых фланцах корпуса, систему охлаждения с прокачкой охлаждающей жидкости через пространство между внутренними стенками корпуса и внешними стенками газоразрядных труб, две крышки, герметично подсоединенные к фланцам корпуса со стороны торцов труб, систему прокачки газовой смеси по газоразрядным трубам через крышки, источник питания и электродную систему для подачи высокого напряжения к газоразрядным трубам и возбуждения в трубах тлеющего разряда, узел вывода излучения, закрепленный на одной из крышек, оптический резонатор, оптические элементы которого размещены внутри крышек и представляют собой заднее глухое зеркало в начале хода лазерного излучения, переднюю выводную систему, две уголковые зеркальные призмы, установленные возле обеих торцевых поверхностей пакета газоразрядных труб и перекрывающие их торцы, причем плоскости биссектрис углов пересечения зеркал в уголковых зеркальных призмах смещены относительно друг друга и совмещены с плоскостями симметрии расположения газоразрядных труб по сечению корпуса, что обеспечивает поворот направления выходящего из каждой трубы лазерного излучения на угол 180^o и ввод его в последующую симметрично расположенную трубу и последовательный обход лазерного излучения по всем трубам от заднего глухого зеркала до узла вывода излучения, отличающийся тем, что газоразрядные трубы в пакете расположены по окружности на равном расстоянии друг от друга, а плоскости биссектрис углов пересечения зеркал в уголковых зеркальных призмах смещены относительно друг друга вокруг центра окружности на угол /n, где n число газоразрядных труб по окружности, что обеспечивает последовательную передачу лазерного излучения по всем трубам, начиная от трубы, находящейся напротив заднего глухого зеркала, и заканчивая трубой, находящейся около противоположного конца диаметра окружности, а заднее глухое зеркало расположено у торца газоразрядной трубы перпендикулярно к ее оси.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что газоразрядные трубы внутри корпуса удерживаются сепараторами, имеющими отверстия для протекания охлаждающей жидкости и одновременно выполняющими роль токопроводов к кольцевым электродным системам на поверхности труб, сепараторы и торцевые фланцы закреплены на штанге из материала с малым коэффициентом линейного расширения, расположенной в центре окружности, образуемой газоразрядными трубами.

3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что газоразрядные трубы в пакете расположены по нескольким концентрическим окружностям, в каждой окружности имеется одинаковое количество труб и они расположены в радиальных плоскостях, а для передачи лазерного излучения из одной окружности в другую у торцов входных и выходных труб окружностей расположены уголковые зеркальные отражатели.

4. Лазер по пп.1 3, отличающийся тем, что у выходного торца последней по ходу лазерного излучения трубы той же окружности, что и заднее глухое зеркало, расположена передняя выводная система оптического резонатора, выполненная в виде отражательно-поворотного узла, объединенного с уголковым зеркальным отражателем, передающего часть лазерного излучения в последующую окружность, а часть излучения отражающего обратно в резонатор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области лазерного оборудования, а точнее электроразрядным многотрубчатым лазерам с диффузионным охлаждением газовой смеси.

Известные электроразрядные многотрубчатые лазеры с диффузионным охлаждением газовой смеси включают в свой состав коробчатый или цилиндрический корпус с торцовыми фланцами, газоразрядные трубы, расположенные в виде пакета внутри корпуса вдоль его оси и вставленные в отверстия в торцовых фланцах корпуса, систему охлаждения с прокачкой охлаждающей жидкости через пространство между внутренними стенками корпуса и внешними стенками газоразрядных труб, две крышки, герметично подсоединенные к фланцам корпуса со стороны торцов труб, систему прокачки газовой смеси по газоразрядным трубам через крышки, источник питания и электродную систему для подачи высокого напряжения к газоразрядным трубам и возбуждения в трубах тлеющего разряда, узел вывода излучения, закрепленный на одной из крышек, оптический резонатор, оптические элементы которого представляют собой глухое зеркало в начале хода лазерного излучения, переднюю выводную систему, а также уголковые зеркальные призмы, расположенные у торцов каждой пары газоразрядных труб и обеспечивающие поворот направления выходящего из каждой трубы лазерного излучения на угол 180^o) и последовательный обход лазерного излучения по всем трубам от заднего глухого зеркала до узла вывода излучения [1, 2] Недостаток конструкции этих лазеров заключается в том, что при большом количестве труб значительно усложняется система юстировки зеркал из-за большего их количества и малых размеров.

Известен также электроразрядный многотрубчатый лазер с диффузионным охлаждением газовой смеси, включающий в свой состав все вышеперечисленных элементы, причем газоразрядные трубы в пакете расположены в один ряд на равном расстоянии, а оптические элементы резонатора размещены внутри крышек и представляют собой заднее глухое зеркало в начале хода лазерного излучения, установленное параллельно осям газоразрядных труб, переднюю выводную систему, а также две уголковые зеркальные призмы, установленные возле обеих торцовых поверхностей пакета газоразрядных труб и полностью перекрывающие их торцы, причем плоскости биссектрис углов пересечения зеркал в уголковых зеркальных призмах перпендикулярны плоскости пакета газоразрядных труб, они совмещены с плоскостями симметрии расположения газоразрядных труб по сечению корпуса и параллельно смещены относительно друг друга на расстояние, равное половине расстояния между газоразрядными трубами, что обеспечивает поворот на угол 180^o и ввод его в последующую симметрично расположенную трубу и последовательный обход лазерного излучения по всем трубам от заднего глухого зеркала до узла вывода излучения [3] В этом лазере при достаточно большом количестве газоразрядных труб в пакете упрощается конструкция поворотных и юстировочных узлов, поскольку для всех труб уголковые поворотные призмы общие.

Этот лазер является наиболее близким техническим решением к предлагаемому объекту, т.е. прототипом.

Недостаток прототипа заключается в громоздкости конструкции при большом количестве газоразрядных труб в пакете, что необходимо для увеличения мощности, а также снижение мощности излучения из-за потерь при передачи излучения из труб в трубы, находящихся на значительном расстояние друг от друга.

Задачи изобретения увеличение мощности лазерного излучения и повышение компактности конструкции.

Указанные задачи в представленном электроразрядном многотрубчатом лазере с диффузионным охлаждением газовой смеси выполняются за счет того, что в нем газоразрядные трубы в пакете расположены по окружности на равном расстоянии друг от друга, а плоскости биссектрис углов пересечения зеркал в уголковых зеркальных призмах смещены относительно друг друга вокруг центра окружности на угол /n, где n число газоразрядных труб по окружности, что обеспечивает последовательную передачу лазерного излучения по всем трубам, начиная от трубы, находящейся напротив заднего глухого зеркала, и заканчивая трубой, находящейся около противоположного конца диаметра окружности, а заднее глухое зеркало расположено у торца газоразрядной трубы перпендикулярно к ее оси.

Согласно изобретению, в электроразрядном многотрубчатом лазере с диффузионным охлаждением газовой смеси газоразрядные трубы внутри корпуса могут быть удержаны сепараторами, имеющими отверстия для протекания охлаждающей жидкости и одновременно выполняющими роль токоподводов к кольцевым электродным системам на поверхности труб, сепараторы и торцовые фланцы могут быть закреплены на штанге из материала с малым коэффициентом линейного расширения, расположенной в центре окружности, образуемой газоразрядными трубами.

Кроме того, газоразрядные трубы в пакете могут быть расположены по одной окружности или по нескольким концентрическим окружностям, в каждой окружности имеется одинаковое количество труб и они расположены в радиальных плоскостях, а для передачи лазерного излучения из одной окружности в другую у торцов выходных и входных труб окружностей расположены уголковые зеркальные отражатели.

Предложенный электроразрядный многотрубчатый лазер с диффузионным охлаждением газовой смеси может отличаться тем, что у входного торца последней по ходу лазерного излучения трубы той же окружности, что и заднее глухое зеркало, расположена передняя выводная система оптического резонатора, выполненная в виде отражательно-поворотного узла, объединенного с уголковым зеркальным отражателем, передающего часть лазерного излучения в последующею окружность, а часть излучения, отражающего обратно в резонатор.

Расположение газоразрядных труб в пакете по окружности на равном расстоянии друг от друга при смещении плоскостей биссектрис углов пересечения зеркал в уголковых зеркальных призмах относительно друг друга вокруг центра окружности на угол p/n, где n число газоразрядных труб по окружности, позволяет уменьшить максимальное расстояние передачи лазерного излучения вне труб. Расположение заднего глухого зеркала у торца газоразрядной трубы, входящей к заднему глухому зеркалу, перпендикулярно оси трубы также приводит к уменьшению длины пути лазерного излучения вне трубы. Уменьшение трубы длины пути вне труб приводит к снижению потерь энергии, поскольку при большой длине пути вне труб часть лазерного луча может не попадать в трубы из-за расходимости излучения.

Поддержка газоразрядных труб внутри корпуса сепараторами, закрепленными вместе с торцовыми фланцами на штанге из материала с малым коэффициентом линейного расширения позволяет уменьшить смещение труб относительно их осевой и снизить потери излучения при передаче его из одной трубы в другую.

Расположение передней выводной системы оптического резонатора у входного торца последней по ходу лазерного излучения трубы той же окружности, что и заднее глухое зеркало, позволяет получать в трубах данной окружности генерацию лазерного излучения, в трубах остальных окружностей будет происходить усиление лазерного излучения. Это приводит к снижению потерь энергии при отражении от зеркал, поскольку в режиме усиления потери на зеркалах меньше.

Наличие в сепараторах отверстий позволяет повысить эффективность охлаждения газоразрядных труб.

Снижение потерь энергии при передачи лазерного излучения из одной трубы в другую, уменьшение потерь на зеркалах, повышение эффективности охлаждения газоразрядных труб приводят к повышению выходной мощности лазера.

Расположение газоразрядных труб в пакете по нескольким концентрическим окружностям также приводит к повышению мощности излучения, и одновременно обеспечивает высокую степень компактности конструкции. Кроме того, компактность конструкции повышается и при использовании в качестве токоподводов сепараторов.

Конструкция предложенного лазера иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан лазер, вид сбоку; на фиг.2 изображена схема хода лазерного излучения, сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1. На фиг. 4 показан лазер со снятой передней стенкой корпуса, вид сбоку, сечение В-В на фиг. 1. Лазер состоит из корпуса 1 коробчатой формы, к корпусу 1 прикреплены два торцовых фланца 2. В отверстия фланцев 2 по окружности на равном расстоянии друг от друга вставлены газоразрядные трубы 3, торцы которых выходят на наружные стороны фланцев.

Стенки газоразрядных труб 3 геометрично соединены с фланцами 2, а торцы труб 3 закрыты двумя крышками 4 и 5, герметично подсоединенными к торцам фланцев 2. К крышкам 4 и 5 подсоединена система прокачки 6, обеспечивающая подачу газовой смеси в газоразрядные трубы 3. Через пространство между внутренними стенками корпуса 1 и внешними стенками газоразрядных труб 3 с помощью системы охлаждения 7 прокачивается охлаждающая жидкость.

Газоразрядные трубы 3 удерживаются внутри корпуса 1 с помощью сепаратора 8, которые выполняют одновременно роль токоподводов от источника питания 9 к кольцевым электродам 10 на поверхности труб 3. Сепараторы 7 имеют отверстия 11 для прохождения охлаждающей жидкости. Сепараторы 8, а также фланцы 2 закреплены на штанге 12, изготовленной из материала с малым коэффициентом линейного расширения, например, инвара, и расположенной в центре окружности, образуемой газоразрядными трубами 3.

Внутри крышки 4 к ней возле торца газоразрядной трубы 3, находящейся в начале хода лазерного излучения, прикреплено заднее глухое зеркало 13, расположенное перпендикулярно оси трубы. Кроме того, внутри крышки 4 к ней прикреплена уголковая зеркальная призма 14, зеркала которой расположены под углом 45^o к оси газоразрядных труб и под углом 90^o друг к другу.

Внутри крышки 5 к ней возле торца газоразрядной трубы, находящейся в конце хода лазерного излучения, прикреплена передняя выводная система 15. Кроме того, внутри крышки 5 к фланцу 2 прикреплена также уголковая зеркальная призма 16, зеркала которой расположены под углом 45^o к оси газоразрядных труб и под углом 90^o друг к другу.

Уголковые зеркальные призмы 14 и 16 перекрывают торцы газоразрядных труб 3. Плоскости биссектрис углов пересечения зеркал в уголковых зеркальных призмах 14 и 16 совмещены с плоскостями симметрии расположения газоразрядных труб по сечению корпуса, причем плоскости биссектрис смещены относительно друг друга вокруг центра окружности, образованной трубами, на угол p/n, где n число газоразрядных труб по окружности.

На фиг. 4 изображена схема хода лазерного излучения, сечение В-В для лазера, в котором газоразрядные трубы в пакете расположены по нескольким концентрическим окружностям, в данном случае по трем; на фиг. 5 представлен вид сверху лазера, сечение Г-Г на фиг. 1. В каждой окружности в данном случае имеется по одиннадцать труб, расположенных в одиннадцати радиальных плоскостях. Лазерное излучение из труб внутренней окружности в трубы средней окружности передается при помощи уголкового зеркального отражателя 18, расположенного у торцов входной и выходной труб. Лазерное излучение из труб внутренней окружности в трубы наружной окружности передается при помощи уголкового зеркального отражателя 19, расположенного у торцов входной и выходной труб этих окружностей. На фиг. 6 изображен узел передачи лазерного излучения из труб внутренней окружности в трубы средней окружности, где передняя выводная система 15 оптического резонатора расположена около выходного торца последней трубы внутренней окружности, т.е. той же окружности, что и заднее глухое зеркало. Передняя выводная система 15 оптического резонатора выполнена в виде отражательно-поворотного узла, объединенного с уголковым зеркальным отражателем. Этот узел состоит в данном случае из уголкового отражателя 18, образованного зеркалами 20 и 21, причем на зеркале 20 имеется дифракционная решетка, отраженное от которой излучение в-1 порядок попадает обратно в трубу, и обеспечивает обратную связь для лазерного генератора, образованного трубами внутренней окружности, и отраженное в-0 порядке излучение попадает в трубы внешних окружностей и сжимает запасенную в активной среде энергию в усилительном режиме.

Предложенный электроразрядный многотрубчатый лазер с диффузионным охлаждением газовой смеси работает следующим образом. С помощью системы прокачки 6 из газового контура, образованного объемом между крышками 4 и 5 и фланцами 2, а также внутренней полостью газоразрядных труб 3, откачивается воздух, а затем напускается газовая смесь, представляющая в частности азот, гелий и двуокись углерода (фиг.1), газовая смесь с помощью системы прокачки 6 перемещается вдоль газоразрядных труб 3, расположенных по сечению корпуса 1 по окружности на равном расстоянии друг от друга, со скоростью до 1м/с. От источника питания 9 к кольцевым электродам 10 на поверхности труб 3 через сепараторы 8 подается высокое напряжение, зажигающее тлеющий разряд для возбуждения газовой смеси. Охлаждение газовой смеси, нагревающейся в результате ее возбуждения, осуществляется за счет теплоотвода через стенки труб 3, для чего через пространство между внутренними стенками корпуса 1 и внешними стенками труб 3 с помощью системы охлаждения 7 прокачивается охлаждающая жидкость. Для выравнивания температуры охлаждающей жидкости и перетекания жидкости вдоль труб в сепараторах 8 имеются отверстия 11. Сепараторы 8, а также фланцы 2 закреплены на штанге 12, также охлаждаемой при протекании охлаждающей жидкости. Штанга 12 с фланцами 2 выполняет роль каркаса для удержания газоразрядных труб 3, а также одновременно образует оптическую скамью резонатора.

Лазерное излучение формируется в процессе многократного отражения от заднего глухого зеркала 13, передней выводной системы 15 и уголковых зеркальных призм 14 и 16. Поскольку плоскости биссектрис углов пересечения зеркал в уголковых зеркальных призмах 14 и 16 совмещены с плоскостями симметрии расположения газоразрядных труб 3 по сечению корпуса 1 и смещены относительно друг друга вокруг центра окружности, образованной трубами 3, на угол p/n, где n число газоразрядных труб по окружности, то это обеспечивает последовательную передачу лазерного излучения по всем трубам, начиная от трубы, находящейся напротив заднего глухого зеркала 13, и заканчивая трубой, находящейся около противоположного конца диаметра окружности (фиг.2-3). Лазерное излучение, прошедшее переднюю выводную систему 15 оптического резонатора, выходит наружу через узел вывода излучения 17.

В случае расположения газоразрядных труб 3 в пакете по нескольким концентрическим окружностям лазерного излучения передается из последней (выходной) трубы одной окружности при помощи уголковых зеркальных отражателей 18 и 19, расположенных у торцов этих труб (фиг. 4 и 5).

При расположении передней выводной системы 15 у выходного торца последней по ходу лазерного излучения трубы той же окружности, что и заднее глухое зеркало 13, лазерное излучение отраженное в-1 порядок от дифракционной решетки, нанесенной на зеркало 20 уголкового отражателя 18, возвращается обратно в оптический резонатор. Лазерное излучение, отраженное в-0 порядок с помощью зеркала 21 уголкового отражателя 18 передается в газоразрядные трубы других окружностей (фиг. 6). В данном варианте трубы окружности с задним глухим зеркалом 13 и передней выводной системы 15 работают в режиме генерации излучения, а трубы остальных окружностей в режиме усиления излучения.