Патент на изобретение №2343610

(54) ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

(57) Реферат:

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к газовым лазерам. Газовый лазер содержит генератор СВЧ-колебаний, волноводный тракт их передачи, электроразрядную секцию, оптический резонатор. Лазер снабжен разрядным каналом, на входе которого расположена камера сгорания, блок смешения рабочего газа с балластным газом и сопловой блок. На выходе разрядного канала имеется система выхлопа газа и его утилизации. Электроразрядная секция образована двумя отрезками желобкового волновода, продольные оси которых параллельны и расположены в той же плоскости, что и продольная ось разрядного канала. Щели желобковых волноводов соединены между собой, в области дна желоба каждого желобкового волновода расположены отверстия связи для запитки электроразрядной секции энергией СВЧ-излучения. Отрезки желобкового волновода в продольном направлении ограничены короткозамыкателями, содержащими запредельные отверстия, соосные зеркалам оптического резонатора лазера. Технический результат – снижение пороговой мощности накачки активной среды, увеличение выходной мощности оптического излучения, снижение массо-габаритных характеристик, увеличение времени непрерывной работы лазера. 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике.

Известны газовые лазеры на продуктах сгорания, сочетающие сверхзвуковой газовый поток и возбуждение активной среды с помощью газового разряда. В конструкции [1] наработанный в результате сжигания углеводородного топлива рабочий газ, нагретый до высокой температуры, поступает на вход соплового блока. Охлажденный в результате сверхзвукового расширения после прохождения соплового блока и подмешивания дросселированной буферной составляющей газовый поток, обладающий значительной электронной плотностью, обусловленной эффектом ассоциативной ионизации при адиабатическом расширении, подается в разрядную камеру, где под действием ВЧ-разряда происходит возбуждение молекул газовой смеси. Зона ВЧ-разряда совмещена с зоной оптического резонатора, через полупрозрачное зеркало которого происходит вывод оптического излучения. Далее после восстановления давления газового потока в диффузоре рабочая смесь поступает в камеру дожигания токсичных компонент и затем выбрасывается в атмосферу.

Недостатком данной конструкции является невысокий энерговклад (до 30 Вт/см³), свойственный ВЧ-разряду и лимитируемый опасностью развития контракции.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является конструкция [2], использующая СВЧ-разряд для возбуждения активной среды газового лазера и содержащая отрезок желобкового волновода в качестве электроразрядной секции. Электроразрядная секция запитывается энергией СВЧ-излучения через возбудитель, активная среда находится в трубке из радиопрозрачного материала, пересекающей под малым углом продольную ось желобкого волновода, концы трубки и зеркала оптического резонатора располагаются вне желобкого волновода, охлаждение активного элемента осуществляется диффузионым способом.

К недостаткам конструкции [2] следует отнести невозможность прокачки газовой смеси со сверхзвуковой скоростью из-за ограниченности площади поперечного сечения трубки, что вынуждает снижать удельный энерговклад во избежение перегрева активной среды и тем самым препятствует реализации главного преимущества СВЧ-разряда в данном приложении – рекордно высокого по сравнению с ВЧ- и ПТ-разрядами удельного энерговклада (260 Вт/см³ по сравнению с 20-30 Вт/см³ для конструкций с ПТ- и ВЧ-возбуждением). Кроме того, принципиально неустранимое существование негорящих участков трубки, локализованных в областях щелей, где напряженность поля недостаточна для поддержания разряда, является источником дополнительных потерь излучения на поглощение в этих областях, что приводит к снижению коэффициента усиления активной среды. Коэффициент усиления снижается также из-за неоднородности разряда, обусловленной односторонним способом запитки электроразрядной секции.

Техническим результатом заявленного изобретения являются: снижение пороговой мощности накачки активной среды; увеличение выходной мощности оптического излучения; снижение массо-габаритных характеристик; увеличение времени непрерывной работы лазера. Данный технический результат достигается тем, что газовый лазер содержит генератор СВЧ-колебаний, волноводный тракт их передачи, электроразрядную секцию в виде отрезка желобкового волновода и оптический резонатор, снабжен разрядным каналом, на входе которого расположена камера сгорания, блок смешения рабочего газа с балластным газом, сопловой блок, на выходе разрядного канала имеется система выхлопа газа и его утилизации, электроразрядная секция образована двумя отрезками желобкового волновода, продольные оси которых параллельны и расположены в той же плоскости, что и продольная ось разрядного канала, а последняя параллельна дну желобов ЖВ, щели последних соединены между собой, в области дна желоба каждого желобкового волновода расположены отверстия связи для запитки электроразрядной секции энергией СВЧ-излучения, отрезки желобкового волновода в продольном направлении ограничены короткозамыкателями, содержащими запредельные отверстия, соосные зеркалам оптического резонатора лазера.

Снижение пороговой мощности накачки обусловлено повышением коэффициента усиления активной среды, которое реализуется благодаря введению двух новых признаков – использованию двух отрезков желобкового волновода, состыкованных щелями и объединенных общим разрядным каналом, а также наличием отверстий связи, расположенных в плоскости дна желобов желобковых волноводов (см. фиг.1). Первый признак позволяет увеличить длину разряда вдоль потока и время пребывания молекул газовой смеси в зоне разряда и тем самым повышает вероятность их возбуждения и величину инверсии населенности активной среды, а также усиление за обход оптического резонатора. Второй признак обеспечивает отсутствие негорящих участков газового потока в области оптического резонатора, обусловленное равномерностью запитки активной среды за счет подбора геометрических размеров и положений отверстий связи, расположенных в плоскости дна желобов желобковых волноводов, что позволяет избежать потерь излучения на поглощение в областях оптического резонатора, не охваченных разрядом.

Увеличение выходной мощности оптического излучения достигается за счет повышения удельного энерговклада и увеличения массового расхода газовой смеси. Повышение удельного энерговклада обусловлено введением нового признака – плоского разрядного канала из радиопрозрачного материала. Площадь поперечного сечения газового потока в этом случае многократно возрастает по сравнению с использованием трубчатой конфигурации активного элемента, характерной для прототипа. Увеличенная площадь поперечного сечения позволяет осуществить прокачку газовой смеси со сверхзвуковой скоростью и повысить удельный энерговклад до значений, характерных для СВЧ-разряда, не опасаясь перегрева активной среды. Увеличение массового расхода газовой смеси происходит благодаря введению нового признака – наличию камеры сгорания, блока смешения рабочего газа с балластным газом, соплового блока на входе разрядного канала.

Увеличение времени непрерывной работы лазера обусловлено также введением этого признака, благодаря которому наработка газовой смеси осуществляется в рабочем цикле.

Снижение массо-габаритных характеристик происходит благодаря увеличению удельного энерговклада.

Таким образом, сравнительный анализ конструкции прототипа и заявленной конструкции показывает, что последняя имеет достаточно много новых отличительных признаков, способствующих достижению нового эффекта, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «новизна».

Анализ имеющейся патентной и научно-технической литературы выявил известность отдельных признаков в известных технических решениях, однако они заявлены в другой совокупности существенных признаков и их использование ведет к достижению иного положительного эффекта. Предложенная совокупность обеспечивает повышение величины мощности накачки на единицу объема активной среды; повышение коэффициента усиления активной среды; увеличение выходной мощности оптического излучения; снижение массо-габаритных характеристик; увеличение времени непрерывной работы лазера. Это дает основание сделать вывод о соответствии предложенного изобретения критерию «существенные отличия».

Данное описание и совокупность существенных отличий, заявленных в формуле изобретения, в достаточной мере раскрыта в материалах заявки и может служить базой для воспроизведения объекта изобретения в промышленности, что позволяет заключить, что предлагаемое изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».

На фиг.1 изображена конструкция газового лазера.

На фиг.2 изображена блок-схема конструкции газового лазера.

Газовый лазер содержит блок 1 подачи углеводородного горючего, расположенный на входе в камеру сгорания 2; вход блока 3 смешения рабочих компонент соединен с выходами камеры сгорания 2 и блока 4 подачи буферного газа. С блоком 3 смешения рабочих компонент соединен сопловой блок 5, расположенный на входе газоразрядного канала 6, пересекающего электроразрядную секцию 7 таким образом, что продольные оси электроразрядной секции и газоразрядного канала перпендикулярны друг другу. Выход газоразрядного канала совмещен со входом струйного жидкостного эжектора 8, соединенного с системой утилизации газа 9, расположенной на входе системы выхлопа 10. Электроразрядная секция 7 содержит отверстия связи 11, располагающиеся в области дна желоба каждого желобкового волновода, соединенные с элементами волноводного тракта 12, состыкованного с генератором СВЧ-излучения 13. В продольном направлении электроразрядная секция ограничена короткозамыкателями 14, в которых расположены запредельные отверстия 15, соосные зеркалам оптического резонатора 16.

Газовый лазер работает следующим образом. Наработка газовой смеси происходит в результате сжигания в камере сгорания 2 углеводородного горючего, поступающего из блока подачи 1, и последующего смешения его в блоке смешения 3 рабочих компонент с поступающим из блока подачи 4 буферным газом. Газовая смесь высокой температуры при повышенном давлении поступает на вход соплового блока 5. В процессе сверхзвукового расширения смесь охлаждается до криогенных температур, ее давление понижается и в ней образуется значительная концентрация свободных электронов, обусловленная эффектом ассоциативной ионизации [1]. Охлажденная газовая смесь, содержащая значительную концентрацию электронов, распространяясь в газоразрядном канале 6, поступает в электроразрядную секцию 7, где под воздействием электрического поля СВЧ-излучения, генерируемого источником 13 и поступающего в электроразрядную секцию через элементы волноводного тракта 12 и отверстия связи 11, плотность электронов и их энергия возрастают. Накачка активной среды происходит при неупругих столкновениях электронов с молекулами газовой смеси, в результате которых энергия электронов передается в колебательные степени свободы молекул, и последующих процессов VV-обмена. Лазерное излучение покидает область электроразрядной секции через запредельные отверстия 15 в короткозамыкателях 14, ограничивающих электроразрядную секцию в продольном направлении, отражается от зеркал оптического резонатора 16 и частично выводится через полупрозрачное зеркало. Отработанная газовая смесь поступает в эжектор 8, где ее давление повышается до атмосферного, очищается от экологически вредных составляющих в системе утилизации 9 и через систему выхлопа 10 выбрасывается в атмосферу.

Источники информации

Формула изобретения

Газовый лазер, содержащий генератор СВЧ-колебаний, волноводный тракт их передачи, электроразрядную секцию в виде отрезка желобкового волновода, состоящего из областей желоба и двух щелей и оптический резонатор, отличающийся тем, что он снабжен разрядным каналом, на входе которого расположена камера сгорания, блок смешения рабочего газа с балластным газом и сопловой блок, на выходе разрядного канала имеется система выхлопа газа и его утилизации, электроразрядная секция образована двумя отрезками желобкового волновода, продольные оси которых параллельны и расположены в той же плоскости, что и продольная ось разрядного канала, щели желобковых волноводов соединены между собой, в области дна желоба каждого желобкового волновода расположены отверстия связи для запитки электроразрядной секции энергией СВЧ-излучения, отрезки желобкового волновода в продольном направлении ограничены короткозамыкателями, содержащими запредельные отверстия, соосные зеркалам оптического резонатора лазера.

РИСУНКИ