Приборы и техника эксперимента, 2019, № 6, стр. 132-133

Импульсно-периодические электроразрядные СО₂-лазеры высокого давления работают на газовых смесях, содержащих молекулярный азот, углекислый газ и гелий. Перспективным представляется создание лазера, генерирующего на смеси СО₂ и воздуха, который забирается извне и очищается на входе. В дальнейшем эта смесь поступает в активную зону, накачивается и генерирует излучение. Очевидно, что такой лазер способен работать как в отпаянном режиме, так и при непрерывной замене смеси газов.

Подобный импульсно-периодический электроразрядный СО₂-лазер намного проще и дешевле в эксплуатации, так как для работы необходим лишь маломощный компрессор и баллон с углекислым газом. Но, к большому сожалению, при этих условиях необходимо преодолеть достаточно серьезную проблему, связанную с трудностью зажигания в атмосферном воздухе объемного разряда с высоким уровнем вложенной удельной энергии. К тому же отсутствие гелия в газовой смеси более чем на порядок уменьшает скорость релаксации уровня СО₂ (010), что в конечном счете приводит к увеличению населенности нижнего лазерного уровня и уменьшению эффективности СО₂-лазера.

К настоящему времени, как показал анализ существующих публикаций, нами не обнаружены работы, где бы описывались высокоэффективные СО₂-лазеры атмосферного давления, генерирующие в смесях атмосферного воздуха и углекислого газа с применением простой электродной системы [1–5].

Авторами разработан и изготовлен импульсно-периодический газоразрядный лазер ЛВС-1, работающий на атмосферном воздухе с добавлением углекислого газа (рис. 1).

Рис. 1.

Внешний вид газоразрядного лазера ЛВС-1.

В состав лазера ЛВС-1 входят следующие блоки:

1) разрядная камера с высоковольтным генератором наносекундных импульсов, резонатором и системой прокачки газовой смеси;

2) высоковольтный источник питания ВИП-35 с диапазоном регулируемого выходного напряжения положительной полярности 0–35 кВ;

3) высоковольтный генератор микросекундных импульсов;

4) газовакуумная система.

Разрядная камера с высоковольтным генератором наносекундных импульсов, резонатором и системой прокачки газовой смеси предназначена для получения импульсов излучения и является основной частью лазера ЛВС-1. Высоковольтный генератор собран по схеме с удвоением напряжения, что позволило получить почти двукратное перенапряжение на разрядном промежутке. В лазере применен резонатор с глухим зеркалом из молибдена с R = 99.3% и выходным многослойным диэлектрическим зеркалом с R = 70%, где R  – коэффициент отражения зеркал. Радиус кривизны зеркала из молибдена равен 10 м. Специально профилированные электроды газоразрядного промежутка изготовлены из латуни и имеют длину 30 см. Длина, ширина и высота разрядного промежутка соответственно составили 25 × 1.0 × 0.7 см.

Малогабаритный высоковольтный источник питания ВИП-35 использован для питания высоковольтного генератора лазера ЛВС-1.

Высоковольтный импульсный генератор предназначен для запуска газовых разрядников.

Газовая смесь готовится как в проточном, так и в отпаянном режимах в разрядной камере с помощью газовакуумной системы, которая состоит из газовой камеры лазера, баллона с углекислым газом, ротаметров (2 шт.), электромагнитных клапанов (3 шт.), мини-насоса-компрессора (1 шт.), вакуумметра (1 шт.) и соединительных труб с разъемами. Мембранный насос-компрессор позволяет откачивать газовакуумную систему до 0.24 атм. При непрерывной работе лазера в открытом режиме воздушная смесь непрерывно поступает за счет небольшого разрежения (0.8–0.9 атм) в разрядной камере, создаваемого насосом-компрессором.

Характеристики газоразрядного лазера ЛВС-1. Длина волны излучения 10.6 мкм; энергия импульса излучения до 400 мДж; частота следования импульсов 1–30 Гц; минимальная длительность импульса излучения 50 нс; состав газовой смеси – атмосферный воздух + углекислый газ; максимальное давление рабочей смеси 0.9 атм; потребляемая мощность ≤500 Вт. Режимы работы лазера: 1) отпаянный, 2) открытый, с непрерывной заменой газовой смеси. Комплектация прибора – моноблок. Габаритные размеры 460 × 460 × 270 мм; масса 27 кг.

Поскольку добротность оптического резонатора не оптимизирована, то предположительно эффективность лазера можно увеличить до 5–6%. В качестве перспективы развития данной разработки авторы предлагают доведение рабочего давления до 1 атм и подготовку газовой смеси в газовом эжекторе. Это позволит полностью избавиться от вакуумного контура и откачивающего насоса, тем самым повысить надежность лазера с одновременным уменьшением его массы и габаритов.