АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 1994 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к активным элементам газовых лазеpов на парах химических веществ.

Изобретение может быть использовано, например, при создании активных элементов на парах металлов: золота, меди, свинца, марганца и т. д.

Отличительной особенностью указанного класса лазеров являются относительно высокие тепловые нагрузки на электроды и разрядный канал, что вызывает эрозию указанных элементов, запыление продуктами разрушения и парами рабочего вещества оптических окон, приводящее к уменьшению мощности излучения и снижению долговечности лазера.

Известна конструкция активного элемента на парах химических веществ, содержащая разрядный канал с рабочим веществом и буферным лазером, расположенный между электродами и концевые секции в виде полых цилиндров, на торцевой части которых установлены выходные оптические окна. Существенным недостатком данной конструкции является низкая долговечность. Это связано с тем, что конвективные потоки разогретого разрядом до сотен градусов буферного газа, увлекая с собой пары рабочего вещества и продукты высокотемпературной эрозии разрядного канала и электродов, поступают в концевую секцию. В процессе работы концевая секция, примыкающая к электроду, нагревается в месте контакта до сотен градусов. По мере удаления от электрода температура ее снижается, при этом наиболее низкую температуру имеет оптическое окно. В результате поступления в секцию разогретого "грязного" газа, в последней возникают циркуляционные потоки, частицы транспортируются к относительно холодным окнам, где и конденсируются в виде налета, ослабляя мощность излучения.

Указанный недостаток можно устранить, увеличив длину концевой секции и, тем самым, создав на поверхности цилиндра вдали от окна температурную зону, благоприятную для активной концентрации частиц загрязнений. Однако это приведет к существенному увеличению габаритов активного элемента.

Известна конструкция активного элемента на парах химических веществ, взятая в качестве прототипа, содержащая разрядный объем с рабочим веществом, оптические окна и расположенные аксиально разрядному объему электроды. Для повышения долговечности активного элемента электроды выполнены в виде полых цилиндров, в полости которых установлены перфорированные ребристые поверхности.

Физическая основа работы устройства заключается в том, что путь конвективных потоков, направленных из зоны разрядного канала в сторону оптических окон, отличен от пути лазерного луча. Выбором конструкции и температурным режимом поверхности электрода установлен такой путь для конвективных потоков, при котором они "омывают" развитую поверхность электрода. За счет пониженной температуры последнего на нем высаживаются частицы, движущиеся вместе с конвективными потоками.

Недостаток такой конструкции заключается в следующем. В процессе работы энергия, подводимая к активному элементу, выделяется в положительном столбе плазмы, нагревая разрядный канал с рабочим веществом, а также в областях катодного и анодного падений потенциала, нагревая электроды до интегральной температуры в сотни градусов. Таким образом перфорированные ребристые поверхности, которые при эксплуатации по условию должны иметь низкую температуру, расположены в полости теплонагруженного элемента - электрода. В таких условиях работа устройства без принятия дополнительных мер по охлаждению внутриполостных ребристых поверхностей представляется низкоэффективной. С другой стороны, повышение эффективности улавливания частиц посредством охлаждения электродов отрицательно скажется на эмиссионных свойствах катода и приведет к снижению мощности излучения. Кроме того, в результате охлаждения примыкающих к электродам концов разрядного канала температура их понизится, что приведет к снижению концентрации паров рабочего вещества в концевых участках (уменьшению величины активного объема), а, следовательно, к дополнительному снижению мощности излучения. Таким образом, увеличение долговечности в данной конструкции активного элемента достигается за счет снижения мощности излучения.

Цель изобретения - повышение мощности излучения и упрощение конструкции при сохранении долговечности активного элемента.

Указанная цель достигается тем, что в активном элементе лазера на парах химических веществ, содержащем разрядный канал с рабочим веществом, электроды и концевые секции с оптическими окнами, концевые секции выполнены в виде тонкостенного гофрированного элемента с внутренним диаметром, равным диаметру пучка излучения.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В активном элементе элементы конструкции, на которых происходит конденсация загрязнений, вынесены за пределы теплонагруженных электродов в область естественно охлаждаемых концевых секций. В результате этого конструкция упрощается, исключается необходимость в принудительном охлаждении электродов, возрастает температура концов разрядного канала и мощность излучения увеличивается.

С другой стороны, для предотвращения запыления окон и сохранения долговечности активного элемента, концевые секции разделены узкими трубчатыми перетяжками на несколько резервуаров, предназначенных для блокирования распространения "прямых" конвективных потоков в осевом направлении к оптическим окнам. Это достигается посредством секционирования единого циркулирующего потока газа и локализации его в пределах указанных резервуаров. В результате, благодаря увеличению времени контактирования циркулирующих частиц загрязнений с охлажденными стенками, происходит эффективная конденсация примесей в соответствующих температурных зонах и очистка буферного газа. При этом, по мере удаления от электродов, концентрация примесей снижается и, варьируя количество резервуаров, можно добиться приемлемого уровня запыляемости окон.

Кроме того, в рабочем тепловом режиме в активных элементах лазеров на парах химических веществ на оптические окна оказывают воздействие две лучевые компоненты. Одна из них - это излучение на рабочей длине (длинах), волны, а другая - излучение инфракрасного диапазона, исходящее из сильно разогретого (сотни градусов) разрядного канала.

В случае, если оптическое окно активного элемента выполнено из стекла, то излучение рабочей длины волны без существенного ослабления проходит сквозь него, а инфракрасная компонента испытывает существенные потери, нагревая указанный элемент.

В условиях затрудненного теплоотвода (малая толщина стенки) происходит повышение температуры оптического окна, вблизи окна возникает провисание температурного потенциала, что препятствует термодиффузии частиц загрязнений в его сторону.

Вместе с тем, следует отметить, что если частицы загрязнений все же достигнут окна, то в этом случае излучение уже рабочей длины волны станет также испытывать ослабление, возникнут потери. Это приведет к дополнительному нагреву окна и переиспарению частиц на более холодные участки. Рассмотренное явление имеет подтверждение на практике, когда в результате резкой откачки буферного газа из активного элемента его потоком был произведен мощный вынос взвешенных частиц в область концевой секции и произошло запыление оптического окна.

После, примерно 2-х ч работы в номинальном режиме излучение запыления окна полностью рассеялось.

На чертеже изображен разрядный канал 1 с рабочим веществом 2, расположенный между электродами 3. По краям активного элемента установлены кольцевые секции 4 в виде гофрированных тонкостенных элементов с оптическими окнами 5.

Работа активного элемента происходит следующим образом.

Горячие конвективные потоки буферного газа, загрязненного парами рабочего вещества 2 и продуктами эрозии, выходящие из разрядного канала 1, на пути продвижения к окну 5 проходят последовательно через ряд резервуаров. В результате конвекции в каждом из них возникает циркуляция газа, что вызывает преимущественное отклонение потока загрязнений от осевого направления вертикально вверх. Циркуляция в относительном узком зазоре вдоль охлажденных стенок резервуаров, частицы конденсируются на их поверхности. Чем ниже температура стенок, тем активнее протекает процесс конденсации.

Высокая активность естественного охлаждения стенок резервуаров обеспечивается за счет развитости их охлаждаемой поверхности. Малая толщина стенок способствует хорошему теплообмену между разогретым газом и окружающей средой, а также увеличению теплового сопротивления вдоль каркаса гофрированного элемента концевой секции. Последнее позволяет уменьшить поток тепла от нагретого электрода к резервуарам и тем самым, при заданной площади охлаждаемой поверхности дополнительно снизить их температуру.

Проверка работоспособности предложенной конструкции проводилась на макете лазерного активного элемента на парах меди с диаметром и длиной разрядного канала 7 и 150 мм соответственно. Концевые секции были изготовлены из стекла марки С-52 с толщиной стенки около 1,5 мм и имели габаритную длину 55 и диаметр 44 мм. Внутренний диаметр перетяжек - 9 мм, количество перетяжек - 3. Давление буферного газа в рабочем режиме составляло 500 мм рт. ст. , температура канала составляла 1700^оС. В течение 50 ч какого-либо запыления оптических окон не произошло. Основная масса загрязнений со стороны катода осела в первом резервуаре и частично во втором. Со стороны более нагретого анода осаждение частиц обнаружено вплоть до третьего резервуара концевой секции, однако окно осталось чистым, а мощность излучения - неизменной.

Таким образом, существенно снижена запыляемость оптических окон /при сохранении габаритов концевых секций/, и тем самым увеличена долговечность активного элемента. Повышение мощности обеспечивается самой конструкцией активного элемента за счет исключения принудительного охлаждения электродов, снижающего величину активной зоны.

Реализация предложенного изобретения позволит без усложнений конструкции повысить мощность излучения и долговечность активных элементов на парах химических веществ.

Изобретение может быть использовано в разработках промышленных отпаянных активных элементов лазеров на парах меди.

Сущность изобретения: в активном элементе лазера на парах химических веществ концевая секция с оптическим окном выполнена в виде тонкостенного гофрированного элемента с внутренним диаметром, равным диаметру пучка излучения. Такое выполнение позволяет снизить запыляемость оптических окон рабочим веществом. 1 ил.

АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ, содержащий разрядный канал с рабочим веществом, электроды и концевые секции с оптическими окнами, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности излучения и упрощения конструкции при сохранении долговечности, концевые секции выполнены в виде тонкостенного гофрированного элемента с внутренним диаметром, равным диаметру пучка излучения.