ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 1994 года по МПК H01S3/41 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке лазеров на парах металлов, нашедших в настоящее время широкое применение в лазерной спектроскопии, медицине, микроэлектронике и др.

Практически все металлы, используемые для получения лазерной генерации, требуют нагрева до высокой температуры (1000-1700^оС). Это связано с достижением рабочей плотности атомов, необходимой для генерации.

Известен лазер на парах меди ИЛГИ-101 [1] , содержащий лазерную трубку, внешний кожух водяного охлаждения и резонатор.

Недостатком данного лазера является наличие водяного охлаждения токонесущих частей, находящихся под импульсным напряжением 10-20 кВ, и вследствие этого низкая электробезопасность, связанная с конденсацией воды на водоохлаждаемых поверхностях. Кроме того, из-за независимости систем нагрева лазерного элемента импульсным разрядом и охлаждения, задаваемого скоростью протекания воды, имеются значительные трудности, связанные со стабилизацией средней мощности генерации.

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и достигаемому эффекту является лазер на парах металла [2] , имеющий внутренние коаксиальные тепловые экраны, расположенные на заданном расстоянии (> 0,3 мм), являющиеся обратным токопроводом, что значительно уменьшает индуктивность разрядного контура.

Недостатком данного лазера является необходимость постоянной откачки области, в которой расположены тепловые экраны, а также дополнительные подогреватели на стенке разрядной трубки для поддержания рабочей температуры. Кроме того, от условий охлаждения поверхности данного лазера будет зависеть температура разрядного канала, а, следовательно, и мощность генерации лазера при постоянной электрической мощности возбуждения.

Целью изобретения является повышение электробезопасности, надежности и срока службы лазера на парах металлов, обеспечение стабилизации и управления средней мощностью и спектральным составом генерации, а также существенное уменьшение габаритов и веса лазера.

Цель достигается тем, что лазер, содержащий резонатор, состоящий из глухого и выходного зеркал, расположенную в резонаторе вдоль его оси лазерную трубку с катодом и анодом, по крайней мере один теплозащитный экран, установленный коаксиально с лазерной трубкой и являющийся обратным токопроводом разрядного контура, содержит систему охлаждения, выполненную в виде расположенного за глухим зеркалом резонатора устройства для создания потока охлаждения лазерной трубки воздухом или инертным газом в направлении от выходного к глухому зеркалу резонатора. Лазерная трубка установлена так, что ее катод расположен со стороны глухого зеркала, а ближайший к лазерной трубке экран установлен на расстоянии не менее 15 мм от ее поверхности. Устройством для создания потока охлаждения может быть воздухозаборный вентилятор. Величина зазора не менее 15 мм определяется электрической прочностью воздуха или инертного газа.

Кроме того, в импульсном газоразрядном лазере на парах металлов ближайший к трубке теплозащитный экран снабжен диафрагмой для регулирования потока охлаждения между лазерной трубкой и этим теплозащитным экраном.

Заявляемое решение наряду с общими преимуществами воздушного охлаждения: электробезопасностью, малыми габаритами и весом, удобством в эксплуатации, обладает новым свойством стабилизации средней мощности генерации лазера. При увеличении напряжения сети обороты вентилятора и, тем самым, охлаждение разрядной трубки возрастают, что компенсирует дополнительный разогрев активного элемента, пропорциональный квадрату питающего напряжения.

Другое новое важное свойство заявляемого решения - управление средней мощностью и спектральным составом генерации, не изменяя мощности возбуждения разряда. До сих пор в лазерах на парах металлов величина средней мощности генерации, а также соотношение мощностей на различных спектральных компонентах, например на желтой (0,578 мкм) и зеленой (0,511 мкм) длинах волн генерации, задавалось средней мощностью возбуждения, т. е. регулировалось амплитудой импульсного напряжения на электродах лазерной трубки. В заявляемом решении предложен более эффективный и простой способ. При помощи диафрагмы или путем регулирования скорости потока охлаждения лазерной трубки изменяется температура ее поверхности, а следовательно, и температура разрядного канала, что и обеспечивает управление средней мощностью и спектральным составом генерации.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого лазера; на фиг. 2 показана зависимость средней мощности генерации 1 и соотношение мощностей генерации на желтой и зеленой линиях 2 от потребляемой средней мощности лазера на парах меди Р_потр (трубка "Кулон") и зависимость температуры разрядного канала от потребляемой мощности 3.

На фиг. 3 показана зависимость средней мощности генерации лазерной трубки от напряжения сети для прототипа (сплошная линия) и заявляемого лазера (пунктир).

Изображенный на фиг. 1 лазер содержит лазерную трубку 1, теплозащитные экраны 2, диафрагму 3 для регулирования потока охлаждения, глухое зеркало 4 резонатора, устройство 5 для создания и регулирования потока охлаждения в кожухе, внешний кожух 6 лазера, выходное зеркало 7 резонатора, несущие крепления 8 резонатора с отверстиями для потока охлаждения, анод 9 и катод 10 лазерной трубки.

Лазер работает следующим образом. Энергия импульсного разряда обеспечивает в режиме саморазогрева достижение заданной температуры разрядного канала лазерной трубки 1. В стационарном тепловом режиме мощность, выделяемая лазерной трубкой W, должна компенсироваться потоком охлаждения: W = C_gV(T_g-T_o), где С_g - объемная теплоемкость газа, используемого для охлаждения; Т_о, Т_g - температура газа на входе и на выходе из кожуха лазера; V - производительность системы охлаждения 5.

В типичных условиях работы лазеров данного класса температура оболочки лазерной трубки составляет 300-400^оС. Поэтому наряду с конвективным охлаждением большую роль играет и охлаждение излучением. Это приводит к нагреву внешней поверхности кожуха охлаждения до температур 60-80^оС, превышающих допустимые для потребителя. Поэтому необходимо использование одного или нескольких теплозащитных экранов 2, расположенных коаксиально с лазерной трубкой для обеспечения равномерного поля температур. В лазерах на парах металлов для высокого КПД генерации важную роль играет минимизация индуктивности разрядного контура. В заявляемом решении мы используем тепловые экраны 2 также в роли обратного токопровода, что обеспечивает минимальную индуктивность разрядного контура и минимум электромагнитных наводок от импульсного разряда.

Потоком воздуха или инертного газа в кожухе, создаваемый специальным устройством 5, например вентилятором, размещенным за задним зеркалом 4 резонатора, разделяется теплозащитными экранами на несколько потоков охлаждения. Эти потоки должны быть направлены от выходного к заднему зеркалу резонатора для удобства вывода лазерного пучка. Кроме того, для питания лазеров на парах металлов традиционно используется импульсный дуговой разряд, потери на катоде существенно больше, чем на аноде, из-за процессов в катодном пятне. Поэтому конструкция лазера на фиг. 1 обеспечивает оптимальное охлаждение для электродов лазерной трубки.

Наиболее существенным для теплового режима лазерной трубки является поток в пространстве между лазерной трубкой и кожухом охлаждения. Для управления величиной этого потока служит диафрагма 3, которая представляет собой, например, перемещаемое металлическое кольцо.

Крепления 8, на которых установлены зеркала резонатора, не должны создавать препятствия для потока охлаждения, т. е. площадь отверстий в них не должна превышать диаметр входного фланца системы охлаждения.

Рассмотрим пример реализации данного устройства.

Использовалась лазерная трубка "Кулон", потребляющая от источника питания 1,0 кВт в оптимальном тепловом режиме. Вентилятор ВН-2 обеспечивал поток воздушного охлаждения в кожухе в направлении от выходного к заднему зеркалу резонатора. Производительность вентилятора могла регулироваться в пределах 1,5-2,5 м³/мин изменением напряжения питания вентилятора.

В заявляемой конструкции лазера имеется возможность управлять средней мощностью и спектральным составом излучения лазера, потребляющего от сети несколько киловатт, при помощи вентилятора средней мощностью десятки ватт (фиг. 2).

Другой способ регулирования требует механического перемещения диафрагмы относительно лазерной трубки без какого-либо дополнительного электронного устройства. Путем изменения пропускания диафрагмы регулируется поток охлаждения в пространстве между лазерной трубкой и теплозащитным экраном, а следовательно, и температура ее поверхности. В наших условиях изменение величины зазора между электродом лазерной трубки и подвижной диафрагмой от 1,5 до 8 мм (см. фиг. 2) обеспечивало изменение средней мощности и спектрального состава генерации лазерной трубки "Кулон" во всем температурном диапазоне генерации при потребляемой средней мощности 1 кВт.

В заключение приведем конкретные параметры устройства на основе заявляемого решения. Использовалась лазерная трубка "Кулон", потребляющая 1 кВт средней мощности в номинальном режиме. Максимальная средняя мощность генерации 3 Вт при частоте повторения 8,6 кГц. Габариты кожуха охлаждения 825х180х165 мм. Длина лазерной трубки - 584 мм, диаметр - 102 мм. Диаметр экрана - 120 мм. Для охлаждения использован вентилятор ВН-2. Для обеспечения стабилизации средней мощности генерации величина зазора между лазерной трубкой и диафрагмой была выбрана 5 мм, что обеспечивало при колебаниях сети 210-230 В стабилизацию средней мощности в пределах 10% от максимальной (см. фиг. 3). (56) 1. Каталог МЭП ЦНИИ "Электроника", 1989, с. 94.

2. Заявка ЕПВ N 0291018, к. Н 01 S 3/03, 1988.

Применение: квантовая электроника, изобретение может быть использовано при разработке лазеров на парах металлов, нашедших широкое применение в лазерной спектроскопии, медицине, микроэлектронике и др. Сущность изобретения: в предложенном лазере, содержащем лазерную трубку в резонаторе, коаксиально с лазерной трубкой установлены один или несколько теплозащитных экранов, причем ближайший к трубке установлен на расстоянии не менее 15 мм от лазерной трубки и является обратным токопроводом разрядного контура, а за глухим зеркалом резонатора расположено устройство для создания потока охлаждения лазерной трубки воздухом или инертным газом в направлении от выходного к заднему зеркалу резонатора. Таким устройством может быть воздухозаборный вентилятор. Катод лазерной трубки расположен со стороны глухого зеркала. 3 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ, содержащий резонатор, состоящий из глухого и выходного зеркал, разрядный контур, расположенную в резонаторе вдоль его оси лазерную трубку с катодом и анодом, по крайней мере один теплозащитный экран, установленный коаксиально с лазерной трубкой и являющийся обратным токопроводом разрядного контура, отличающийся тем, что лазер дополнительно содержит систему охлаждения, выполненную в виде расположенного за глухим зеркалом резонатора устройства для создания потока охлаждения лазерной трубки воздухом или инертным газом в направлении от выходного к глухому зеркалу резонатора, лазерная трубка установлена так, что катод лазерной трубки расположен со стороны глухого зеркала, а ближайший к лазерной трубке экран установлен на расстоянии не менее 15 мм от лазерной трубки. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что ближайший к лазерной трубке теплозащитный экран снабжен диафрагмой для регулирования потока охлаждения между лазерной трубкой и теплозащитным экраном и управления параметрами генерации лазера.