ОТПАЯННЫЙ ГАЗОВЫЙ CO-ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНЫМ РАЗРЯДОМ Российский патент 1994 года по МПК H01S3/36 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве отпаянных газовых лазеров, обеспечивающих высокую долговечность.

Известен отпаянный газовый СО₂-лазер, содержащий активный элемент с медноокисным стабилизатором газового состава, размещенным в пространстве перед электродом аксиально этому электроду [1] .

Назначение стабилизатора - обеспечение регенерации СО в СО₂ и исключение или замедление скорости увеличения степени диссоциации СО₂ до критического ее значения в процессе длительной работы лазера.

Регенерация СО₂ происходит в соответствии с реакцией СО + СuO -> Cu + CO₂.

Недостатком лазера является то, что в нем не предусмотрены меры защиты от загрязнения поверхности оптических элементов частицами эрозирующего при воздействии плазмы разряда стабилизатора газового состава.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является отпаянный газовый СО₂-лазер, содержащий вакуумную оболочку, заполненную лазерной средой, электроды и стабилизатор газового состава, выполненный в виде полого цилиндра, расположенного соосно с разрядным капилляром (разрядным каналом), находящегося внутри катодного цилиндра и установленного на его внутренней поверхности [2] .

Для защиты оптических элементов от эрозионных частиц, вылетающих с катода при воздействии разряда, применена цилиндрическая диэлектрическая экранирующая втулка, входящая внутрь стабилизатора, установленная коаксиально с ним, отгораживающая зеркало лазера от прикатодного пространства.

Недостатком данной конструкции является, во-первых, то, что стабилизатор не защищен от воздействия разряда и подвергается эрозии при его воздействии. Во-вторых, при таком расположении стабилизатора область эффективной регенерации СО в СО₂ локализована в прикатодном пространстве вблизи поверхности стабилизатора.

Непосредственно в зоне разряда (в разрядном канале) газовый состав существенно отличается от состава вблизи стабилизатора и определяется в основном скоростью диффузионных процессов. Это различие тем больше, чем длиннее и уже разрядный канал, так как взаимная диффузия СО и СО₂соответственно из разрядного канала и в него происходит только через концевые отверстия в канале.

При давлениях газа 20. . . 100 мм рт. ст. , характерных для отпаянных СО₂-лазеров, область равномерного состава, близкого к поддерживаемому в области стабилизатора, ограничена расстоянием не более 25 мм от стабилизатора. Поэтому в такой конструкции лазера эффективное управление составом газовой смеси во всем объеме разрядного канала невозможно, а следовательно, невозможно обеспечить состав газовой смеси, оптимальный для коэффициента усиления активной среды.

Цель изобретения - создание отпаянного СО₂-лазера с повышенной долговечностью.

Осуществление изобретения позволит создать конструкцию, обеспечивающую эффективную регенерацию СО₂ (скорость порядка 10^-2-10^-1см³/с) в пространстве, окружающем разрядный канал, и во всем объеме разрядного канала, а, следовательно, в разрядном канале будет существовать на протяжении ресурса работы равномерный по всей его длине и близкий к оптимальному (установившемуся в начальный момент включения разряда) состав активной среды.

Цель изобретения достигается тем, что в известном отпаянном СО₂-лазере, содержащем вакуумную оболочку с электродами и стабилизаторами газового состава в виде полых цилиндров, соединенными с электродом, стабилизаторы установлены на внешней по отношению к разрядному каналу поверхности по крайней мере одного из электродов, при этом расстояние l₁ между соседними стабилизаторами и расстояние l₂ между каждым стабилизатором и разрядным каналом выбраны из соотношения:
l₁ ≅ k/P ≥ l₂, где k - коэффициент пропорциональности, равный 5 ˙10² мм рт. ст. хмм, выбранный из условия эффективной скорости диффузии молекул СО к стабилизатору и регенерированных молекул СО₂ в разрядный канал;
Р - давление активной среды, мм рт. ст.

Размещение стабилизаторов на внешней поверхности электрода полностью защищает их от воздействия разряда и исключает эрозию и связанные с ней недостатки, свойственные прототипу, так как стабилизаторы не контактируют с плазмой разряда. В связи с этим в предложенной конструкции не требуется применять специальные меры защиты оптических элементов.

Расположение стабилизаторов на расстоянии l₁ друг от друга и на расстоянии l₂ от разрядного канала, определяемое вышеуказанным соотношением, обеспечит эффективную регенерацию СО₂ со скоростью не менее 1 ˙10^-2 см³/с во всем объеме разрядного канала и равномерно по его длине на протяжении всего ресурса работы, а следовательно, повышенную долговечность лазера.

На фиг. 1 показан отпаянный газовый СО₂-лазер с поперечным разрядом; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Лазер содержит разрядный канал 1, образованный электродами 2,3 и керамическими пластинами 4. Стабилизаторы 5 в виде полых цилиндров установлены на поверхности электрода 3. Энергия электрического поля подводится к разрядному промежутку с помощью вводов 6. Оптический резонатор образован зеркалами 7,8.

Принцип действия предлагаемого устройства состоит в следующем.

В разрядном канале 1 возбуждается поперечный разряд между электродами 2 и 3 и возникает состояние с инверсной заселенностью. В начальный момент в разрядном канале 1 реализуются условия, оптимальные для коэффициента усиления. Однако в дальнейшем из-за диссоциации СО₂ и последующего необратимого избирательного поглощения кислорода в разрядном канале концентрация СО₂ постоянно снижается и, следовательно, снижается коэффициент усиления и мощность излучения лазера. Этот нежелательный эффект устраняется размещением на электроде 3 стабилизаторов 5 газового состава, которые, будучи нагретыми за счет тепла, выделяемого в разряде, начинают эффективно регенерировать (со скоростью ≥ 1 ˙10^-2 см³/с) СО в СО₂.

В результате вследствие диффузии СО и СО₂ через торцовые отверстия в разрядном канале и зазоры между керамическими пластинами 4 и электродами 2 и 3 в разрядном канале установится и будет поддерживаться газовый состав, близкий к оптимальному, установившемуся в момент включения разряда.

Вышеуказанные зазоры образованы по всей длине разрядного канала, и их величины определяются качеством механической обработки соприкасающихся материалов. Так, при втором классе обработки зазоры составляют порядка 100 мкм, что обеспечивает свободное проникновение в разрядный канал и из него молекул СО, О₂ и СО₂, имеющих соответственно размеры диаметров 2,7˙ 10^-4 мкм, 3 ˙10^-4 мкм, 3,36 ˙10^-4 мкм.

Конструкция стабилизаторов (полый цилиндр) имеет простую технологию изготовления, наиболее пригодна для массового производства и при этом обладает достаточно большим регенерационным запасом.

В предложенной конструкции лазера регенерационный запас возрастает по сравнению с прототипом пропорционально количеству стабилизаторов, размещенных на поверхности электрода, и, следовательно, обеспечивается более высокая эффективность процесса регенерации СО в СО₂ за счет большей массы и поверхности взаимодействия с активной средой.

Размещение стабилизаторов газового состава на поверхности электрода на расстоянии l₁ друг от друга и на расстоянии l₂ от разрядного канала, определяемых приведенной выше зависимостью от давления Р, обусловлено скоростями диффузионных процессов, которые, как известно, обратно пропорциональны давлению смеси. Коэффициент k определен экспериментально для различных давлений смеси в диапазоне от 20 до 100 мм рт. ст. , обычно применяемых в отпаянных СО₂-лазерах.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет обеспечить эффективную регенерацию СО₂ (со скоростью не менее 10^-2 см³/с) в пространстве, окружающем разрядный канал и во всем объеме разрядного канала, и тем самым создать отпаянный СО₂-лазер с поперечным разрядом повышенной долговечности.

Использование: квантовая электроника, может быть использовано при производстве отпаянных газовых CO₂ -лазеров с высокой долговечностью. Увеличение долговечности достигается путем повышения эффективности регенерации CO₂ во всем объеме разрядного канала и в окружающем его пространстве. Сущность изобретения: лазер содержит разрядный канал, образованный электродами и керамическими пластинами. Стабилизаторы газового состава в виде полых цилиндров установлены на внешней по отношению к разрядному каналу поверхности электрода. Расстояния l₁ между соседними стабилизаторами и l₂ - между каждым стабилизатором и разрядным каналом выбраны из соотношения: l₁≅ k/P≥ l₂, где k - коэффициент пропорциональности, равный 5·10² мм рт. ст. хмм; P - давление активной среды, мм рт. ст. 2 ил.

ОТПАЯННЫЙ ГАЗОВЫЙ CO₂-ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНЫМ РАЗРЯДОМ, содержащий вакуумную оболочку, заполненную лазерной средой, электроды, разрядный канал и стабилизатор газового состава в виде полого цилиндра, расположенный на поверхности электрода, отличающийся тем, что в него дополнительно введены аналогичные стабилизаторы газового состава, при этом все стабилизаторы размещены на внешней по отношению к разрядному каналу поверхности по крайней мере одного из электродов, а расстояние l₁ между соседними стабилизаторами и расстояние l₂ между каждым стабилизатором и разрядным каналом связаны соотношением
l₁ ≅ k/P ≥ l₂,
где k - коэффициент пропорциональности, равный 5 · 10² мм рт. ст · мм;
P - давление активной среды, мм рт. ст.