ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1994 года по МПК H01S3/38 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве гелий-неоновых лазеров.

Известны газовые лазеры с полыми холодными катодами, выполненными в виде бесшовных трубок из алюминиевых сплавов, внутренняя поверхность которых обрабатывается до высокого класса чистоты (8-9) и на ней затем формируется рабочий эмиссионный слой [1] .

В таких лазерах холодные катоды закрепляются при помощи различного рода крепежных элементов непосредственно в катодных полостях.

Подобная конструкция является наиболее типичной для всех видов газовых лазеров и характеризуется высокой трудоемкостью изготовления и материалоемкостью холодного катода при сравнительно низкой себестоимости алюминиевых сплавов. Наличие упругих крепежных элементов не позволяет изготавливать катод с толщиной стенки, меньшей 1,0 мм, так как в противном случае он не сможет обладать достаточной формоустойчивостью.

В соответствии с существующей тенденцией увеличения долговечности лазеров и, прежде всего, за счет применения холодного катода из высокочистых материалов типа алюминия А-995-А-999, применение указанной конструкции приводит к удорожанию газового лазера, непроизводительным потерям дефицитного материала. Кроме того, изготовление такого катода из перечисленных материалов, особенно на стадии обработки внутренней поверхности, увеличивает трудоемкость процесса изготовления лазера.

Наиболее близкой по технической сути к изобретению является конструкция газового лазера с полым катодом из свернутого металлического листа, примыкающего к стеклянной оболочке лазера [2] . Эта конструкция позволяет отказаться от изготовления катодов методом расточки полостей и от крепежных элементов, так как катод удерживается в катодной полости благодаря наличию упругих сил свертки.

Однако применение этого технического решения неприемлемо, так как оно характеризуется двумя существенными недостатками:
- невозможностью применения металлического листа малой толщины, поскольку в этом случае упругие силы станут недостаточными для надежной фиксации катода;
- наличием кромки на шве свертки, находящейся в полости катода непосредственно в зоне действия тлеющего разряда.

Ее наличие приводит к локальной концентрации электрического поля, ускоряющего ионы газовой смеси, увеличению энергии и концентрации ионов, бомбардирующих кромку свертки катода и, как следствие, интенсивному распылению материала катода с соответствующим снижением срока службы газового лазера.

Целью изобретения является повышение долговечности и снижение материалоемкости изготовления газового лазера.

Цель достигается тем, что в известном газовом лазере, в котором катод выполнен в виде свертки из металлического листа, края свертки прикреплены к корпусу лазера, образующему катодную полость, и отстоят друг от друга на расстоянии d, удовлетворяющем соотношению
0 < d ≅ , где j - плотность тока на катоде, А/м²;
р - давление смеси гелия и неона, Па;
d - расстояние между краями свертки, мм;
K = 0,7·10 · Па^1/5.

Оптимальность размера d объясняется следующим образом.

Известно, что искажения электрического поля, вызванные нерегулярностью не заряженной поверхности, распространяются на расстояние, примерно в пять раз превышающее размер нерегулярности. С другой стороны, распыляющие рабочую поверхность катода ионы приобретают энергию, ускоряясь в поле катодного падения потенциала, имеющего протяженность Х_к, зависящую от давления газовой смеси и плотности тока на катоде. Установлено, что усредненная величина Х_к для характерных режимов работы гелий-неоновых лазеров (Р ≈ 266 Па и j = 1,5 А/м²) составляет порядка 4 мм. Это значит, что в прототипе, где толщина выступающей над поверхностью катода кромки шва составляет 0,5-0,8 мм, искажения поля простираются на расстояние 2,5-4 мм, что сравнимо с величиной Х_к и обуславливает существенное увеличение энергии ионов, распыляющих катод. При этом следует особо отметить тот факт, что нерегулярность поверхности в форме выступа приводит к искажениям электрического поля в смысле его усиления, что как раз и наблюдается в прототипе.

Поскольку в предложенной конструкции края свертки, образующей катод, находятся на расстоянии d друг от друга, то это эквивалентно наличию щели на поверхности катода. В этом случае искажения электрического поля выражаются в его ослаблении над поверхностью, т. е. энергия распыляющих ионов в указанной области снижается по сравнению с таковой для выступа кромки шва, что и обеспечивает минимальное распыление катода.

Эксперименты показали, что если расстояние между краями листа d меньше Х_к, то разряд не горит на края образованного путем его свертывания холодного катода. При d < 0,5 Х_к разряд между краями фольги вообще не возникает.

Установлено, что для неравенства, оптимизирующего d, коэффициент пропорциональности К равен
K= 0,7˙10^-2(A/м²)^2/5˙Па^1/5.

На чертеже показан фрагмент газового лазера, объясняющий сущность изобретения.

В корпусе газового лазера 1 расположен катод 2, выполненный в виде свертки из металлического листа. При этом края свертки отстоят друг от друга на расстоянии d.

Пример изготовления газового лазера.

Известными методами изготавливают разрядный капилляр длиной 800 мм и внутренним диаметром 5 мм и другие детали стеклянного газового лазера, в том числе и штенгель.

Отрезают трубу из стекла марки М52 диаметром 46 мм и длиной 280 мм. Производят ее отжиг и технохимическую очистку. Вырезают из алюминиевой фольги (А-995) и толщиной 0,2 мм заготовку катода длиной 200 мм и шириной 144 мм, закладывая тем самым нужное расстояние d при раскрое. Заготовку фольги вставляют внутрь стеклянной трубы и поджимают ее к поверхности с помощью полированной втулки. К наружной поверхности трубы подводят электрод из медной сетки. Полученную сборку помещают в печь, нагревают до 250-400^оС и прикладывают между медной сеткой и втулкой электрическое поле напряжением 400-800 В. По истечении 10-15 мин поле снимают. За счет действия электростатических сил в процессе приложения поля фольга надежно сваривается со стеклянной подложкой лазера. Стеклянную трубку с приваренной таким образом фольгой вынимают из печи и охлаждают до комнатной температуры, после чего извлекают втулку. Полученную часть корпуса с катодной фольгой приваривают к остальной части корпуса лазера, вваривают капилляр с анодным выводом и присоединяют токоподвод к катоду. На торцы прибора крепят оптические элементы. Через штенгель напаивают лазер на откачной пост.

Вакуумно-термическую обработку газового лазера с холодным катодом производят по известной технологии. По завершении обработки лазер выполняют гелий-неоновой смесью до давления 266 Па и отпаивают.

Работает газовый лазер следующим образом.

При подаче электрического напряжения между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд в рабочей газовой смеси и возникает генерация колебаний на частоте, обусловленной параметрами оптического резонатора, рабочего газа и капилляра.

Разрядный ток, необходимый для получения генерации, обеспечивается эмиссией электронов из катода вследствие процесса ионноэлектронной эмиссии. Ионы рабочего газа, образовавшиеся в прикатодной области разряда, попадают на его поверхность, ускоряясь под воздействием катодного падения потенциала. При этом ионы, движущиеся к катоду в области щели, ускоряются меньше, т. е. производят меньший эффект распыления, благодаря чему общая долговечность лазера увеличивается. (56) Патент США N 3860310, кл. 331-94.5, 1975.

Патент ФРГ N 2506842, кл. H 01 S 3/097, 1976.

Лазер содержит корпус, в котором расположен холодный катод, выполненный в виде свертки из металлического листа. Катод краями свертки прикреплен к корпусу лазера, образующему катодную полость, а края свертки отстоят друг от друга на расстоянии, определяемом по условию 0<d≅ K/j^2/5·p^1/5, где j - плотность тока на катоде, A/м²; p - давление газовой смеси, Па; d - расстояние между краями свертки, мм. K=0,7·10^-2(A/м²)^2/5·Па^1/5. 1 ил.

ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий корпус, в котором сформирована катодная полость и расположен холодный катод, выполненный в виде свертки из металлического листа, отличающийся тем, что, с целью повышения долговечности и снижения материалоемкости, края свертки прикреплены к корпусу лазера, образующему катодную полость, и отстоят друг от друга на расстоянии d, удовлетворяющем соотношению
0 < d ≅ /
где j - плотность разрядного тока на катоде, А/м²;
P - давление смеси гелия и неона, Па;
d - расстояние между краями свертки, мм;
K = 0,7 · 10^-2 (А/м²)^2/5 · Па^1/5.