ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ПРОДОЛЬНЫМ РАЗРЯДОМ Российский патент 1996 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к квантовой электронике, а конкретнее к маломощным герметичным (отпаянным) моноблочным газовым лазерам с продольный разрядом, имеющим большой срок службы, высокую надежность, стабильные выходные параметры, а также простую и удобную компактную конструкцию, несложную в изготовлении. Изобретение найдет применение в качестве малогабаритного стабильного источника когерентного излучения в системах информации и связи, измерительных системах, медицинском оборудовании, а также в лабораторном оборудовании при проведении научных исследований или в средствах обучения в учебных заведениях.

Развитие областей науки и техники, использующих источники когерентного излучения, ставит задачи увеличения их долговечности, надежности (в частности, их запуска), стабильности выходных параметров (например, мощности излучения), которые наиболее актуальны для отпаянных, неразборных лазеров с внутренними зеркалами, не подлежащих ремонту или подстройке в процессе эксплуатации. Однако при изготовлении или эксплуатации таких лазеров возникают проблемы, препятствующие решению указанных задач и связанные со следующими факторами:
изменением состава или отравлением лазерного газа за счет натекания посторонних газов в лазерный объем, например, через герметизирующие уплотнения и/или за счет выделения остаточных газов внутренними поверхностями элементов, ограничивающих лазерный объем;
загрязнением внутренних поверхностей зеркал резонатора лазера пылеобразными частицами вследствие распыления электродов, в частности, катода, разрушения стенок разрядного канала, а также повреждением этих поверхностей плазмой разряда;
разрушением катода из-за его перегрева вследствие неравномерного распределения разрядного тока по его поверхности;
разъюстировкой зеркал или изменением длины резонатора за счет деформации при нагреве из-за использования элементов из материалов с различными коэффициентами теплового расширения;
обеспечением достаточного балластного объема лазерного газа для замены его в разрядном промежутке, что необходимо в связи с его обеднением в процессе работы.

В наибольшей степени эти проблемы удается решать в моноблочных лазерных с внутренними зеркалами, герметично установленными на торцевых поверхностях моноблока с образованием резонатора. Такие лазеры не требуют юстировки [1] Сами моноблоки выполняют из кварца, керамического или аналогичного диэлектрического материала, имеющего весьма низкий коэффициент теплового расширения (КТР). Поэтому в моноблочных конструкциях отсутствуют проблемы, связанные с деформацией лазерного канала, обычно возникающие в конструкциях разрядных трубок с капиллярами из-за различия КТР материалов держателей капилляров, самих трубок, балластных баллонов и баллонов с катодами и др. Моноблок выполняет функцию не только держателя зеркал, обеспечивая температурную стабилизацию резонатора [2] но и держателя лазерного канала на всем его протяжении, а также разрядных электродов [3-5] Это делает конструкцию моноблочных лазеров наиболее простой [1] а для лазеров с линейным каналом и весьма компактной и малогабаритной [6] Защита внутренних поверхностей зеркал от повреждения плазмой разряда осуществляется, как правило, выполнением в моноблоке дополнительных каналов, перпендикулярных [3, 4] или наклонных [1,7] к лазерному каналу (либо полостей [5,6]) и соединенных с ним для контактирования разрядных электродов с активной газовой средой, заполняющей лазерный канал. Причем места соединений удалены от зеркал, ограничивающих линейные лазерные каналы.

В связи с последним необходимо подчеркнуть, что указанные выше проблемы отпаянных лазеров с внутренними зеркалами образуют взаимосвязанный комплекс, относящийся по сути к лазерам с продольным разрядом. Этот комплекс проблем вынуждает вносить особенности в технические решения, присущие только таким лазерам и отличающиеся от особенностей технических решений, например, лазеров с поперечным высокочастотным (ВЧ) разрядом, моноблочные конструкции которых также известны. Лазеры с поперечным ВЧ разрядом могут работать без физического контакта металлических электродов возбуждения с активной газовой средой и быть волноводными или неволноводными [8-10] Они имеют свой комплекс проблем, связанных, в частности, с упрощением источника возбуждения и повышением его надежности, повышением эффективности передачи энергии ВЧ возбуждения в разряд (путем, например, утончения стенок канала) и при этом сохранение жесткости и механической прочности стенок канала для уменьшения изгибных деформаций и обеспечение хорошего теплоотвода и т.д. которые, однако, не относятся к лазерам с продольным разрядом.

Большинство известных моноблочных конструкций газовых лазеров с продольным разрядом решают лишь отдельные (частные) проблемы из указанного комплекса без связи с другими проблемами (во всяком случае, без упоминания о них), а, зачастую, и усугубляя их.

Так, в [11, 12] предложено присоединять зеркало к моноблоку из стекла, стеклокерамики с помощью промежуточного слоя индия. Это позволяет сохранить целостность герметического соединения при деформациях, вызванных температурными напряжениями из-за различия КТР подложки зеркала и моноблока в широком температурном диапазоне. Однако расположение разрядного канала у зеркала приводит к преждевременному его разрушению или изменению его коэффициента отражения [1] плазмой разряда и, как следствие, к сокращению срока службы лазера.

В [5] для увеличения срока службы предлагается выполнять катод из железоникелевого сплава, тщательно согласованного по КТР с материалом моноблока. Изнутри катод покрыт стойким к ионной бомбардировке проводящим материалом для уменьшения катодного распыления. Однако в лазере отсутствуют средства для адсорбции натекающих в объем или остаточных газов, отравляющих лазерный газ, т.е. снижающих коэффициент усиления и уменьшающих долговечность лазера.

В кольцевом лазере [13] катод наносят в виде покрытия на поверхность полости катодного моноблока из того же материала, что и резонаторный моноблок. Это исключает проблемы согласования КТР моноблоков. Равномерность распределения тока по поверхности катода обеспечивается его полусферической формой, а малая плотность тока большой величиной его поверхности. Возможность использования геттера (в штенгеле откачки напуска газа) обеспечивает очистку лазерного газа. Однако качество такой очистки со временем ухудшается из-за значительного выделения остаточных газов, обусловленного низкой температурой термообработки (отжига) моноблока, ограниченной температурой плавления индиевого припоя (156^оС), герметизирующего соединение между катодным и резонаторным моноблоками. Кроме того, в лазере [13] отсутствуют средства отклонения потока ионов и электронов плазмы разряда [7] от поверхности зеркал. Напротив, расположение анодов в непосредственной близости от зеркал (в одной полости) интенсифицирует разрушение зеркал плазмой разряда. Обе причины сокращают срок службы лазера.

В [14] рассматривается конструкция держателя неиспаряемого геттера кольцевого лазера. Использование геттера позволяет снижать загрязнение лазерного газа остаточными газами и поддерживать тем самым требуемый коэффициент усиления лазерного газа. Однако расположение геттера непосредственно в полости у одного из зеркал создает опасность загрязнения зеркала распыляемым материалом геттера (при его нагреве во время проведения дегазации лазерного объема) и, соответственно, снижает срок службы и надежность запуска лазера. Такое расположение неприемлемо при использовании более эффективных (имеющих большую поверхность) распыляемых геттеров, образующих на поверхности полости (и зеркала) геттерную пленку.

Проведенный анализ показывает, что решение отдельных (частных) проблем отпаянных лазеров с продольным разрядом для увеличения их долговечности, надежности, стабильности их выходных параметров не может быть эффективным, если при этом не учитываются другие факторы, влияющие на эти же характеристики лазеров, а в ряде случаев может привести и к обратному результату. Объясняется это тем, что при нынешнем уровне развития техники затруднительно заранее определить, какой из факторов окажется определяющим при длительной эксплуатации лазера и, тем самым, отдать предпочтение решению только одной из проблем указанного комплекса. Таким образом, актуальным при решении задач увеличения срока службы, надежности и стабильности выходных параметров отпаянных моноблочных лазеров с продольным разрядом и внутренними зеркалами является рассмотрение всего комплекса возникающих при этом проблем для учета всех упомянутых выше факторов, влияющих на указанные характеристики таких лазеров.

Известен газовый лазер с продольным разрядом [15] содержащий диэлектрический моноблок из стекла с низким КТР, в котором выполнен лазерный канал с одним или несколькими линейными участками, заполненный активной газовой средой и ограниченный зеркалами, герметично установленными на торцевых поверхностях моноблока с образованием резонатора, куполообразный катод с развитой протяженной поверхностью, имеющей эллипсоидальную форму, выполненный из железоникелевого сплава и покрытый изнутри слоем слабо распыляемого под действием ионной бомбардировки материала, а также два анода. Состав сплава тщательно подобран для согласования его по КТР с материалом моноблока. Аноды и катод расположены снаружи моноблока на его боковой поверхности и соединены с помощью соответствующих полостей в моноблоке с лазерным каналом для обеспечения контакта с активной газовой средой. При этом один из анодов может служить также в качестве штенгеля откачки/наполнения газа. Особенностью известного лазера [15] является выполнение катода куполообразным, а полости над катодом с уменьшающимся поперечным сечением при удалении от поверхности моноблока к одному из участков лазерного канала. Это позволяет увеличить объем лазерного газа в моноблоке и уменьшить плотность тока по поверхности катода и улучшить пространственное распределение потока положительных ионов к его эмиттирующей поверхности. И то и другое обеспечивает меньшее распыление материала катода и увеличивает долговечность лазера.

Однако в [15] не рассмотрен весь комплекс проблем, связанных с решением задачи увеличения срока службы. В частности, не учтено влияние фактора отравления лазерного газа (уменьшения коэффициента усиления активной среды) остаточными газами, поскольку отсутствуют газопоглотительные средства (геттер). А это влияние может быть значительным из-за использования в качестве герметизирующего слоя между катодом и моноблоком индиевого припоя [13] и ограничивает срок службы лазера. Несмотря на небольшие размеры моноблока, его объем используется неэффективно из-за наличия отверстия или средств крепления в его центре (что присуще кольцевым лазерам) и расположения разрядных электродов снаружи моноблока.

Известен также газовый лазер с продольным разрядом [16] выбранный в качестве прототипа и содержащий диэлектрический моноблок из плавленного кварца или аналогичного материала с низким КТР, в котором выполнен лазерный канал с несколькими линейными участками, образующими замкнутую траекторию, заполненный активной газовой средой и ограниченный зеркалами, герметично установленными на торцевых поверхностях моноблока с образованием резонатора, куполообразный катод с развитой протяженной поверхностью и по меньшей мере один анод, контактирующие через соответствующие полости в моноблоке с активной средой для возбуждения в ней разряда, а также штенгель и один или несколько геттеров. Катод и аноды расположены снаружи моноблока на его боковой поверхности. Особенностью конструкции [16] является то, что по меньшей мере один анод содержит геттерный материал, предназначенный для распыления в анодной полости. Анод может целиком состоять из сплава геттерного материала. Распыление осуществляется за счет бомбардировки материала геттера (и анода) положительными ионами при приложении к аноду отрицательного потенциала относительно катода достаточной величины ( ≈1 кВ). Распыленный материал осаждается на стенках анодной полости (на части стенок полости в случае использования направляющей, закрепленной на аноде), образуя геттерную пленку с протяженной поверхностью. Газ, образованный при распылении, может быть откачан через штенгель, после чего лазерный канал и полости в моноблоке заполняются лазерным газом (смесью гелия и неона в необходимой пропорции), обычно используемым в кольцевых лазерах. Геттерная пленка удаляет из лазерной смеси загрязняющий ее газ, выделяемый, например, внутренними поверхностями моноблока, ограничивающими лазерный канал и полости, что увеличивает срок службы лазера.

Однако, в прототипе решена лишь частная проблема отпаянных лазеров с продольным разрядом вне связи с другими факторами, влияющими на их долговечность, надежность, стабильность их выходных параметров и определяющими упомянутый комплекс проблем.

Так откачка газа, образованного при распылении геттерного материала, может вызвать осаждение геттерных частиц, увлеченных этим газом, на зеркалах резонатора, загрязняя их поверхности, т.к. поток откачиваемого газа проходит мимо зеркал, и они не снабжены средствами защиты. Далее, помещение геттерного материала в направляющем корпусе, занимающем часть анода, требует для образования геттерной пленки достаточной толщины длительной бомбардировки, вызывая загрязнение этой пленки материалом анода и снижение, тем самым, ее активности. Если весь анод выполнен из сплава геттерного материала, то длительная бомбардировка вызовет загрязнение пленки основным материалом сплава. Кроме того, распыление геттерной пленки в анодной полости не позволяет получить большой площади ее поверхности ввиду малости самой анодной полости и использования под напыление только ее части. С другой стороны, использование герметизирующих припоев типа используемого в [13] для закрепления снаружи разрядных электродов не позволяет провести высокотемпературную термообработку блока и уменьшить, следовательно, количество остаточных газов в лазерном объеме. Вместе с тем, недостаточно используется объем моноблока для увеличения балластного объема лазерного газа и отсутствуют средства защиты зеркал от плазмы разряда.

Целью изобретения является увеличение срока службы, надежности моноблочных отпаянных газовых лазеров, с продольным разрядом, стабильности их выходных параметров путем решения возникающих при этом проблем в комплексе с учетом всех влияющих на эти их характеристики факторов во взаимосвязи друг с другом и преодоление за счет этого указанных недостатков прототипа.

Дополнительной задачей является минимизация габаритов устройства при сохранении его указанных основных характеристик за счет оптимизации использования объема моноблока.

Это достигается тем, что газовый лазер с продольным разрядом, содержащий диэлектрический моноблок, в котором выполнен лазерный канал, заполненный активной газовой средой и ограниченный зеркалами, герметично установленными на торцевых поверхностях моноблока с образованием резонатора, катод с развитой протяженной поверхностью и по меньшей мере один анод, контактирующие с активной средой для возбуждения в ней разряда, а также штенгель и один или несколько геттеров, содержит также по меньшей мере одну геттерную полость, выполненную у торцевой поверхности моноблока и соединенную с лазерным каналом и штенгелем, упомянутые геттеры установлены в каждую из этих полостей, а катод и каждый анод размещены в соответствующих им полостях в моноблоке.

Наличие отличительных признаков свидетельствует о соответствии изобретения условиям патентоспособности по новизне.

Сущность изобретения основана на предложении рассматривать факторы, влияющие на долговечность, надежность лазеров, стабильность их выходных параметров во взаимосвязи друг с другом. Ранее при разработке известных конструкций моноблочных отпаянных лазеров с продольным разрядом такой комплексный подход не предлагался.

Введение в моноблок отдельной геттерной полости позволяет независимо от требований к другим элементам (аноду, анодной полости) обеспечить получение геттерной пленки требуемых параметров (площади, толщины) для очистки лазерного газа от остаточных и натекающих в лазерный объем газов. При этом нет опасения, что она будет загрязняться посторонними материалами (в отличие от прототипа). А соединение геттерной полости со штенгелем обеспечивает откачку газов с частицами геттера при его распылении, минуя лазерный объем и зеркала резонатора. Это препятствует осаждению частиц геттера на внутренней поверхности зеркал и уменьшает, тем самым, влияние фактора их загрязнения. Расположение геттерной полости у торцевой поверхности моноблока позволяет обеспечить эффективный захват натекающих газов со стороны их наиболее интенсивного поступления (соединений с подложкой зеркала и штенгелем). С другой стороны, такое расположение каждой геттерной полости и аналогичное расположение катодной полости у той же или другой торцевой поверхности моноблока дает возможность осуществить их герметизацию подложками зеркал методом оптического контакта без использования припоев, ограничивающих температуру термообработки моноблока (в отличие от [13, 15] ). Более высокая температура термообработки моноблока уменьшает количество остаточных газов и, следовательно, влияние этого фактора на срок службы лазера. Дополнительный объем, образованный геттерной полостью, увеличивает балластный объем лазерного газа благодаря соединению с лазерным каналом. Расположение геттерной полости у торцевой поверхности моноблока снижает требования к средствам разогрева и распыления геттера (мощности ВЧ генератора) и, следовательно, упрощает их. Кроме того, расположение разрядных электродов, геттера в соответствующих полостях в моноблоке минимизирует в целом габариты лазера (в отличие от [13, 15, 16] ).

Возможны различные реализации расположения геттерной полости у торцевой поверхности моноблока и соединения ее с лазерным каналом.

Геттерная полость может быть выполнена только в моноблоке и расположена у его торцевой поверхности с образованием керна, охватывающего оконечную часть лазерного канала и коаксиального ему. При этом зеркальное покрытие зеркала, установленного на торцевой поверхности моноблока и ограничивающего лазерный канал, оказывается защищенным керном от распыляемого материала геттера. Эффективность защиты тем выше, чем меньше зазор между торцом керна и поверхностью зеркала. Однако слишком малый зазор увеличивает время откачки лазера, осуществляемой через геттерную полость, т.к. лазерный канал соединен с геттерной полостью через этот зазор. В практическом плане зазор оказывается достаточным, если зеркало выполнено вогнутыми и его поперечные размеры превышают диаметр керна, торец которого лежит в плоскости торцевой поверхности моноблока. Последнее, в частности, дает определенные преимущества, т. к. позволяет проводить обработку всей торцевой поверхности моноблока в один прием, не проводя затем отдельно обработку торца керна, что естественно снижает трудоемкость и более технологично.

Геттерная полость может быть выполнена и только в подложке зеркала с образованием соосного лазерному каналу выступа, поперечные размеры которого превышают диаметр канала, и соединена с последним через зазор между торцевой поверхностью моноблока и торцевой поверхностью выступа с нанесенным на него зеркальным покрытием. Поверхность зеркала оказывается также защищенной выступом, а требования к размеру зазора аналогичны изложенным выше.

Такая реализация расположения геттерной полости уступает предыдущей, например, в размерах полости. Однако она более технологична и имеет преимущества при осуществлении разогрева и распыления геттера, т.к. он может быть расположен в удаленной от зазора части полости, т.е. максимально близко к средствам разогрева (индуктору ВЧ генератора).

Если влияние фактора изменения состава или отравления лазерного газа за счет натекания или выделения остаточных газов оказывается преобладающим, то полезной может оказаться следующая реализация расположения геттерной полости, позволяющая получить максимальную площадь геттерной пленки и одновременно наибольшее увеличение балластного объема для хранения лазерного газа. В этой реализации с такой же защитой поверхности зеркала геттерная полость выполнена одной частью в моноблоке с образованием керна, охватывающего оконечную часть лазерного канала и коаксиального ему, а остальной частью в подложке зеркала с образованием соосного лазерному каналу выступа, поперечные размеры которого превышают диаметр канала, и соединена с последним через зазор между торцом керна и торцевой поверхностью выступа с зеркальным покрытием. Для получения максимального лазерного объема целесообразно, чтобы диаметр выступа не превышал диаметра керна, торец которого лежит в плоскости торцевой поверхности моноблока. Сам геттер или несколько геттеров могут быть расположены или в моноблоке, или в подложке зеркала, или в обеих частях геттерной полости. Преимущество имеет расположение геттера (геттеров) в подложке зеркала в удаленной от зазора части полости.

В каждом из описанных вариантов расположения геттерная полость может быть ограничена поверхностью различной формы, например, цилиндрической. При этом наиболее простым при изготовлении является соосное расположение этой цилиндрической поверхности и лазерного канала, хотя возможно и иное ее расположение, что не выходит за рамки сущности изобретения.

Геттер может иметь разнообразную форму, например, в зависимости от предпочтительного метода его разогрева. Если таковым является безконтактный метод разогрева ВЧ токами, то целесообразно, чтобы каждый геттер (например, распылительный) имел форму кольца и устанавливался соосно лазерному каналу.

Расположение геттерной полости вокруг лазерного канала не является обязательным. Геттерная полость может быть выполнена в моноблоке рядом с лазерным каналом в области, смежной с ним, и соединена с ним с помощью первого дополнительного канала.

Эта реализация может оказаться предпочтительной, если лазерный канал является складным и имеет параллельные друг другу участки. Геттерная полость при этом может быть выполнена под углом к лазерному каналу (его участкам) или параллельна ему (им), и является цилиндрической, что наиболее приемлемо с точки зрения простоты и технологичности изготовления. Первый дополнительный канал может быть наклонным (например, перпендикулярным) к лазерному каналу (его участкам) или иметь параллельный (если геттерная полость параллельна) и наклонный участки для соединения соответственно с ближним или дальним концом лазерного канала (концами его участков). Расположение геттера (геттеров) в такой полости у торцевой поверхности моноблока (при разогреве его ВЧ токами индукционным методом), хотя возможно и иное его расположение.

Расположение полостей под разрядные электроды (катод, анод) может быть выбрано независимо от расположения геттерной полости. Важно только, чтобы места соединений катодной и анодной (анодных) полостей с лазерным каналом были разнесены вдоль него для образования разрядного промежутка и удалены от концов лазерного канала (его участков) для снижзения влияния фактора повреждения поверхностей зеркал плазмой разряда (обычно не менее чем на 2-5 диаметров канала).

Так, для линейного лазерного канала катодная полость может быть выполнена в моноблоке аналогично геттерной полости, т.е. с образованием керна, охватывающего оконечную, но другую часть лазерного канала и коаксиального ему, но при этом соединена с ним через по меньшей мере одно сквозное отверстие в стенках керна и расположена у другой торцевой поверхности моноблока. Зазор между торцом керна и поверхностью зеркала необходим в этом случае лишь для упрощения технологии сборки лазера.

Однако катодная полость может быть выполнена и в области моноблока, смежной с лазерным каналом, и расположена у той же торцевой поверхности моноблока, что и геттерная полость, или у другой его поверхности и соединена с лазерным каналом с помощью второго дополнительного канала. Второй дополнительный канал выполняется аналогично первому в зависимости от того, с ближним или дальним концом канала (его участков) он соединяет катодную полость. Сама катодная полость может быть ограничена цилиндрической поверхностью и быть соосной (в первом варианте) лазерному каналу или располагаться параллельно ему (его участкам).

Возможны и иные сочетания формы выполнения и расположения геттерной и катодной полостей, что предоставляет разработчикам лазеров широкие возможности. Катодная полость может быть выполнена и у боковой поверхности моноблока, например, как в [15, 16]
Вместе с тем, последовательное применение предлагаемого комплексного подхода в решении проблем, возникающих при решении основной задачи увеличения долговечности, надежности лазеров, стабильности их выходных параметров, дает возможность получения дополнительных преимуществ, если совместить геттерную и катодную полости, т.е. сделать геттерную полость одновременно и катодной. В этом случае геттер будет связан с источником изменения состава и отравления лазерного газа (остаточными газами, выделяемыми катодом и окружающими его стенками моноблока при разогреве катода) и загрязнения внутренних поверхностей зеркал (частицами распыления катода) не через лазерный канал (как в [14, 16] ), а непосредственно. Это дополнительно снизит влияние этих факторов на решение поставленной задачи.

В случае, если геттерная полость охватывает лазерный канал, катод может иметь форму полого цилиндра с диаметром, превышающим диаметр керна и соответствующим диаметру полости, и быть установлен в этой полости коаксиально лазерному каналу в удаленной от зазора ее части и соединен с каналом через по меньшей мере одно сквозное отверстие в стенках керна для контактирования катода с активной средой. При необходимости эмиттирующая поверхность катода может быть защищена от напыления материала геттера (равно как и геттерная пленка от напыления материала катода) торцевой частью катода, присоединяемой к (или выполняемой за одно целое с) цилиндрической его части. Геттер при этом целесообразно располагать в другой части полости.

Если геттерная полость расположена в области, смежной с лазерным каналом и имеет цилиндрическую форму, катод может быть выполнен в виде цилиндрического стакана, обращенного тыльной стороной к геттеру, установлен в этой полости с зазором (для контакта геттера с активной средой) и расположен между геттером и вводом первого дополнительного канала (выполняющего одновременно и функции второго дополнительного канала). В этом случае эмиттирующая поверхность катода (внутренняя поверхность стакана) будет защищена от распыляемого материала геттера так же, как и поверхность геттера от распыляемого материала катода. Более того осаждение геттерной пленки на наружной стороне катодного стакана позволит увеличить ее поверхность и тем самым обеспечить очистку лазерного газа в течение более длительного срока.

Возможны и другие сочетания расположения геттерной и катодной полостей в рамках изобретения. Например, для линейного лазерного канала в моноблоке могут быть выполнены две геттерные полости, охватывающие его противолежащие оконечные части с образованием кернов, одна из которых может являться одновременно и катодной с расположением катода и геттера и формой связи катода с лазерным каналом аналогично описанным выше. В другой геттерной полости (возможно частично расположенной и в подложке) также размещаются один или несколько геттеров.

В зависимости от расположения геттерной полости возможны различные варианты размещения штенгеля. Так, если геттерная полость охватывает лазерный канал, штенгель может быть установлен на боковую стенку выемки, выполненной в боковой поверхности моноблока, обращенную к геттерной полости, и соединен с последней вспомогательным каналом наклонным к лазерному каналу (чтобы продукты распыления не попали в средства откачки). Штенгель может быть установлен и на подложку зеркала вне ее осевой области, соответствующей зеркальному покрытию, и соединен с геттерной полостью вспомогательным каналом (в подложке), наклонным к лазерному каналу. Последний вариант может быть использован, если геттерная полость расположена в области смежной с лазерным каналом, хотя возможно более приемлемым (с точки зрения использования объема моноблока) будет размещение штенгеля на дне выемки, выполненной в боковой поверхности моноблока и соединение его с геттерной полостью вспомогательным каналом, наклонным (или перпендикулярным) к лазерному каналу.

Как уже указывалось, изобретение может быть реализовано в лазерах как с линейным лазерным каналом, так и со складным, имеющим параллельные друг другу участки, в каждом из которых возбуждается самостоятельный продольный разряд. Такие участки могут быть соединены на соответствующих концах перпендикулярными им участками и ограничены в месте соединения дополнительно введенными поворотными зеркалами, герметично установленными на скошенных под соответствующими углами частях торцевых поверхностей моноблока. Если параллельных участков четное число, то концевые зеркала установлены на одной торцевой поверхности моноблока. В наиболее простом случае двух параллельных участков лазерного канала концевые зеркала, установленные на противоположной поворотным зеркалам торцевой поверхности моноблока, могут быть расположены в одной плоскости и иметь единую подложку. Каждый параллельный участок лазерного канала соединен в описанной реализации с соответствующей анодной полостью и общей для всех таких участков катодной полостью.

В рамках предложенного комплексного подхода возможно и решение (или использование известных решений) отдельных (частных) проблем указанного их комплекса. Например, выбор оптимальной формы катода, его связи с лазерным каналом. Или защита зеркальных покрытий от воздействия активной среды.

Так, последняя проблема может быть решена путем нанесения зеркального покрытия каждого зеркала на наружную поверхность его подложки. В этом случае другая (тыльная) поверхность подложки, обращенная к активной среде, является внутренней поверхностью зеркала. От воздействия окружающей среды и механических повреждений многослойное интерференционное зеркальное покрытие может быть защищено прозрачным для лазерного излучения диэлектрическим слоем. Такое решение, хотя и приводит к некоторому уменьшению выходной мощности лазера, но стабилизирует в целом коэффициент отражения таких зеркал за счет исключения процесса взаимодействия с активной средой интерференционных слоев покрытия.

Уменьшения мощности лазера можно избежать, если на тыльную сторону подложки нанести просветляющее покрытие на длину волны излучения.

Кроме того, такое решение упрощает закрепление подложки зеркала на моноблоке методом оптического контакта, когда в нем не выполнена соответствующая полость или технологическое углубление, и исключает источник возможных механических напряжений из-за различия КТР покрытия и моноблока. Изготовление таких зеркал оказывается и более дешевым, т.к. к покрытию уже не предъявляются такие высокие требования по устойчивости.

Решение основной задачи изобретения было найдено за счет выполнения в объеме моноблока полостей для геттеров, катода, анода (анодов) и определенного их расположения относительно лазерного канала и друг друга. Это позволило заодно минимизировать в целом габариты лазера за счет более эффективного использования объема моноблока и тем самым решить указанную выше дополнительную задачу изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1, 3 и 4 представлены примеры осуществления моноблочного газового лазера с продольным разрядом, на фиг.2 варианты выполнения геттерной полости в моноблоке газового лазера.

Газовый лазер с продольным разрядом содержит (фиг.1) диэлектрический моноблок 1, например, из ситалла или кварца, в котором выполнен лазерный канал 2 (диаметром 1,5-3 мм) заполненный активной газовой средой (смесью Не-Nе в оптимальном соотношении в зависимости от требуемых характеристик лазера, например, 7:1 или 10:1 или др. и давлении 2-5 торр) и ограниченный зеркалами 3 и 4 с высокоотражающим покрытием 5 и 6 (коэффициент отражения более 99%), герметично установленными (на оптическом контакте) на торцевых поверхностях 7 и 8 моноблока 1 с образованием оптического резонатора, катод 9, например, из алюминия с развитой протяженной поверхностью, имеющий вид полого цилиндра, и анод 10 в виде штыря (например, из титана или нержавеющей стали), размещенные в соответствующих им полостях, в моноблоке 1 и снабженные контактами соответственно 11 и 12, расположенными на боковой поверхности моноблока 1, для подключения к источнику питания (не показан на фиг.1), а также штенгель 13 (например, стеклянный) и один или несколько геттеров 14, установленные во введенную в лазер геттерную полость 15, выполненную у торцевой поверхности 7 моноблока 1 и соединенную с лазерным каналом 2 и штенгелем 13.

Геттерная полость 15 выполнена одной частью в моноблоке 1 с образованием керна 16, охватывающего оконечную часть лазерного канала 2 и коаксиального ему, а остальной частью в подложке 17 зеркала 3 с образованием соосно лазерному каналу 2 выступа 18, поперечные размеры которого превышают диаметр канала 2, и соединена с последним через зазор 19 между торцом керна 16 и торцевой поверхностью выступа 18 с зеркальным покрытием 5. Геттерная полость 15 ограничена поверхностью (или поверхностями, различного диаметра для моноблока 1 и подложки 17) цилиндрической формы, соосной (соосными) лазерному каналу 2. Диаметр выступа 18 несколько превышает ( ≈10%) диаметр керна 16, торец которого лежит в плоскости торцевой поверхности 7 моноблока 1 (и обработан одновременно с этой поверхностью). Геттер 14 имеет форму кольца и закреплен в геттерной полости 15 за счет упругих свойств оправки (на фиг.1 не показана) геттера 14. Геттер 14 установлен у торцовой поверхности 7 моноблока 1, как показано на фиг.1, или/и в подложке зеркала 3 в удаленной от зазора 19 части геттерной полости 15.

Катодная полость 20 расположена у другой (нежели геттерная полость 15) торцевой поверхности 8 моноблока 1 и выполнена в нем с образованием керна 21, охватывающего другую оконечную часть линейного лазерного канала 2 и коаксиального ему и соединена с каналом 2 через по меньшей мере одно (на фиг. 1 два отверстия 22) сквозное отверстие 22 в стенках керна 21. Зазор 23 между торцом керна 21 и подложкой 24 зеркала 4 является технологическим (во избежание повреждения покрытия 6 зеркала 4 при его установке на торцевую поверхность 8 моноблока 1). Откачка катодной полости 20 происходит, в основном, через отверстия 22. Лазерный канал 2, геттерная полость 15 и катодная полость 20 герметизированы подложками 17 и 24 (из кварца или ситалла) соответствующих зеркал 3 и 4 путем установки их на торцевые поверхности 7 и 8 моноблока 1 (на оптическом контакте). Анод 10 расположен целиком в анодной полости (на фиг.1 не обозначена) у геттерной полости 15 и контактирует непосредственно с активной средой в лазерном канале.

Штенгель 13 (на фиг.1-4 показан не отпаянным) для откачки/заполнения лазерного объема герметично установлен на боковую стенку 25 выемки прямоугольного сечения (на фиг. 1 не обозначена), выполненной в боковой поверхности (стенке) моноблока 1, обращенную к геттерной полости 15 и соединен с этой полостью 15 вспомогательным каналом 26, наклонным к лазерному каналу 2. Плоское дно 27 выемки параллельно оси лазерного канала 2, что упрощает его изготовление, хотя оно может быть и наклонным к этой оси и неплоским, например, цилиндрическим. Сам моноблок 1 выполнен в форме цилиндра диаметром 25 мм и длиной 80 мм, но может быть выполнен и в виде бруса прямоугольного сечения с габаритами 80х25х25.

На фиг.2а,б показаны другие варианты расположения геттерной полости 15. На фиг.2а геттерная полость 15 выполнена только в моноблоке 1 у его торцевой поверхности 7 с образованием керна 16, охватывающего оконечную часть лазерного канала 2 и коаксиального ему, и соединена с каналом 2 через зазор 19 между торцом керна 16, лежащим в плоскости торцевой поверхности 7 моноблока 1, и поверхностью зеркала 3 (в данном случае зеркальным покрытием 5), которое выполнено вогнутым, и его (покрытия 5) поперечные размеры превышают диаметр керна 16. Такое выполнение зазора 19 снижает трудоемкость изготовления. Геттерная полость 15 герметизирована подложкой 17 зеркала 3 и соединена со штенгелем 13 вспомогательным каналом 26 (как и на фиг.1). Геттер 14 в форме кольца установлен у торцевой поверхности 7 моноблока 1.

На фиг.2б геттерная полость 15 выполнена целиком в подложке 17 зеркала 3 с образованием соосного лазерному каналу 2 выступа 18, поперечные размеры которого превышают диаметр канала 2, и соединена с последним через зазор 19 между торцевой поверхностью 7 моноблока 1 и торцевой поверхностью выступа 18 с зеркальным покрытием 5. Геттерная полость 15 соединена со штенгелем 13 аналогично фиг.2 а и герметизирована подложкой 17 зеркала 3. Геттер 14 в форме кольца установлен в удаленной от зазора 19 части полости 15.

Лазер на фиг. 3 имеет две геттерные полости 15 15 выполненные только в моноблоке 1 у противолежащих его торцевых поверхностей 7 и 8 с образованием кернов 16 и 21, охватывающих соответствующие оконечные части лазерного канала 2 и коаксиальных ему. Обе геттерные полости 15 и 15 герметизированы плоскопараллельными подложками 17 и 24 зеркал 3 и 4 (одно из которых сферическое) и соединены с каналом 2 через зазоры 19 и 27 между зеркальными покрытиями 5 и 6 и торцами соответствующих кернов 16 и 21, которые не лежат (в отличие от фиг.2а) в плоскостях соответствующих торцевых поверхностей 7 и 8 моноблока 1.

Геттерная полость 15 является одновременно катодной. Катод 9 имеет форму полого цилиндра с диаметром, соответствующим диаметру полости 15 часть которого (на фиг.3 не обозначена) со стороны поверхности 8 отогнута под углом к лазерному каналу 2 для защиты его эмиттирующей поверхности от материала распыляемого геттера 14. Катод 9 закреплен в полости 15 за счет упругих свойств его стенок, установлен в ней коаксиально лазерному каналу 2 в удаленной от зазора 27 ее части и соединен с каналом 2 через одно или два сквозных отверстия 22 в стенке керна 21 для контактирования катода 9 с активной средой. Отверстия 22 удалены от зазора 27 во избежание повреждения покрытия 6 плазмой разряда. Гаттер 14 расположен в другой части полости 15 у торцевой поверхности 8 моноблока 1. Аналогично, только у торцевой поверхности 7, расположен еще один геттер 14 в полости 15 Штенгель 13, в отличие от фиг.1 и 2, установлен на подложку 17 зеркала 3 вне ее осевой области, соответствующей зеркальному покрытию 5. Штенгель 13 соединен с геттерной полостью 15 вспомогательным каналом 26, наклонным к лазерному каналу 2, а с геттерной полостью 15 через канал 26, зазор 19, канал 2 и зазор 27. Анод 10 расположен частично в анодной полости (на фиг.3 не обозначена) частично в геттерной полости 15 (являющейся в этой части удаленной от зазора 19, одновременно и анодной) и через отверстие (не обозначено) в керне 16 выходит в лазерный канал 2. Такое расположение анода 10 приближает еще один источник натекающих газов к геттерной полости 15
Особенностью варианта осуществления газового лазера, показанного на фиг. 4, является то, что лазерный канал имеет параллельные друг другу участки (на фиг. 4 их два 2 и 2 ), соединенные перпендикулярным им участком 2 и ограниченные в месте соединения дополнительно введенными поворотными зеркалами 28 и 29 (одно из которых сферическое), герметично установленными (на оптическом контакте) на скошенных под соответствующими углами (135 и 45о к продольной оси блока) частях 8 и 8 торцевой поверхности моноблока 1, а каждый параллельный участок, например, 2 лазерного канала соединен с соответствующей анодной полостью (на фиг.4 не обозначена) с анодом 10 и общей для участков 2 и 2 катодной полстью, функцию которой выполняет геттерная полость 15, с катодом 9. Катод 9 выполнен в виде цилиндрического стакана (фиг.4г), меньшего нежели полость 15 диаметра, обращенного тыльной стороной к геттеру 14, закреплен на катодном вводе, выполненном в виде винта, шляпка которого является контактом 11, благодаря отверстию 31 в катоде. Катод 9 расположен между геттером 14 и вводом первого дополнительного канала, имеющего параллельный 30 и наклонные (перпендикулярные) 30 участки для соединения с концами участков 2 и 2 лазерного канала у зеркал 28 и 29. При этом концевые зеркала имеют единую плоскопараллельную подложку 32, установленную на торцевой поверхности 7 моноблока 1, противоположной зеркалам 28 и 29 и герметизирующую участки каналов 2 и 2 и геттерную полость 15, а их зеркальные покрытия 5 и 6 расположены в одной плоскости и нанесены на наружную поверхность подложки 32 и имеют защитный слой. Кольцевой геттер 14 установлен у торцевой поверхности 7 моноблока 1 и контактирует с лазерным газом в канале на участках 2 2 через зазор 33 между катодом 9 и стенками полости 15 (возникающий из-за меньшего диаметра катода 9). У торцевой поверхности 7 моноблока 1 выполнена узкая технологическая полость 34. Штенгель 13, катодный ввод с контактом 11 катода 9, контакты 12 12 анодов 10 и 10 установлены (и загерметизированы известным образом) на дне 35 выемки, выполненной в боковой поверхности моноблока 1. Штенгель 13 соединен с геттерной полостью 15 в ее средней части вспомогательным каналом 36, наклонным (перпендикулярным) участкам 2 и 2 лазерного канала.

Подготовка лазера к работе вне зависимости от варианта осуществления заключается в том, что после изготовления моноблока 1 с каналом 2 (его участками 2 и 2 ), необходимыми полостями и выемкой, установки в них катода 9, анода 10 (анодов 10 10 ), геттера (геттеров) 14, штенгеля 13, контактов 11 и 12, зеркал 3 и 4 (и поворотных зеркал 28 и 29) и их герметизации указанным или известным образом, производят откачку лазерного объема через штенгель 13, термическую обработку (обезгаживание) собранной конструкции лазера (при Т ≥ 156^о), тренировку в рабочей смеси, распыление материала геттера 14 в геттерной полости 15, последующий напуск смеси Не и Nе и отпайку штенгеля 13.

Предлагаемый лазер работает следующим образом. На контакты 11 и 12 (12 12 ) катода 9 и анода 10 (анодов 10 10 ) подают от источника питания импульс поджига для возбуждения в активной среде (лазерном газе) разряда и постоянное напряжение для поддержки этого разряда с током накачки 3 мА (5 мА на каждый участок канала 2 2 ). Для образца лазера по фиг.1 было получено излучение мощностью порядка 150 мкВт на λ=0,63 мкм в одночастотном режиме, поляризация излучения эллиптическая. Для образца лазера (длиной 110 мм) по фиг.4 мощность излучения составила около 3 мВт, λ=0,63 мкм, поляризация излучения линейная. Для обоих вариантов (фиг.1, 4) существовали области рабочих токов, в которых плазменные шумы отсутствовали.

Разряд в лазерном канале (его участках) замыкался на аноде (анодах) и катоде, не доходя до зеркальных покрытий зеркал (или тыльной поверхности подложки), что предохраняет их от воздействия плазмы разряда. Высокая температура (≈156^оС) термической обработки лазера при его изготовлении позволила произвести эффективную дегазацию лазерного объема перед напуском оптимальной рабочей смеси. Распыление геттера в специальной геттерной полости позволило создать геттерную пленку необходимой толщины и площади для длительной эксплуатации и хранения лазера. При этом не происходило напыление частиц геттера на внутренних поверхностях зеркал благодаря описанным мерам по их защите от загрязнения и тому, что откачка геттерного газа производилась непосредственно из геттерной полости, минуя лазерный объем.

Были проведены испытания отдельных образцов описанного лазера. В режиме хранения ( ≈2 лет) выходная мощность образца лазера изменилась незначительно (до 10%). В режиме интенсивного использования (12 ч в сутки) мощность выходного излучения практически не изменилась в течение нескольких месяцев. Испытания в этом режиме продолжаются.

Приведенные примеры показали эффективность предложенного комплексного подхода в решении проблем увеличения сроков службы, надежности лазеров, стабильности их выходных параметров и преодоления за счет этого недостатка прототипа. Кроме того, удалось минимизировать габариты лазера за счет компактного расположения его основных элементов в соответствующих полостях и оптимизировать использование объема моноблока.

Приведенные примеры предлагаемого газового лазера с продольным разрядом показали возможность осуществления изобретения и тем самым, его промышленную применимость.

Вместе с тем, приведенные примеры нельзя рассматривать как ограничения предлагаемого изобретения, т.к. они являются лишь иллюстрациями, позволяющими лучше понять его сущность, которая включает различные варианты реализаций и в наиболее полной мере описана в прилагаемой формуле изобретения. Выбор варианта реализации определяется конкретно решаемой технической задачей, связанной, например, с получением: максимальной мощности; минимума шумов; активной или пассивной стабилизации; одночастотного режима; простой и дешевой конструкции и т.д.

Использование: изобретение относится к газовым лазерам. Сущность изобретения: газовый лазер с продольным разрядом содержит диэлектрический моноблок, в котором выполнены лазерный канал, заполненный активной газовой средой и ограниченный зеркалами, герметично установленными на торцевых поверхностях моноблока с образованием оптического резонанса, а также анодная, катодная и специально введенная геттерная полости, соединенные с лазерным каналом, в которых установлены соответственно анод, катод с развитой протяженной поверхностью, контактирующие с активной средой для возбуждения в ней разряда, и один или несколько геттеров, при этом катодная и геттерная полости расположены у соответствующих торцевых поверхностей моноблока и герметизированы подложками зеркал, а в выемке на боковой поверхности моноблока расположен штенгель, соединенный с геттерной полостью. 24 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ПРОДОЛЬНЫМ РАЗРЯДОМ, содержащий диэлектрический моноблок, в котором выполнен лазерный канал, заполненный активной газовой средой и ограниченный зеркалами, герметично установленными на торцевых поверхностях моноблока с образованием резонатора, катод с развитой протяженной поверхностью и по меньшей мере один анод, контактирующие с активной средой для возбуждения в ней разряда, а также штенгель и один или несколько геттеров, отличающийся тем, что он содержит также по меньшей мере одну геттерную полость, выполненную у торцевой поверхности моноблока и соединенную с лазерным каналом и штенгелем, упомянутые геттеры установлены в каждую из этих полостей, а катод и каждый анод размещены в соответствующих им полостях в моноблоке. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что геттерная полость выполнена в моноблоке с образованием керна, охватывающего оконечную часть лазерного канала и коаксиального ему, и соединено с последним через зазор между торцом керна и поверхностью зеркала. 3. Лазер по п. 2, отличающийся тем, что зеркало выполнено вогнутым, и его поперечные размеры превышают диаметр керна, торец которого лежит в плоскости торцевой поверхности моноблока. 4. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что геттерная полость выполнена в подложке зеркала с образованием соосного лазерному каналу выступа, поперечные размеры которого превышают диаметр канала, и соединена с последним через зазор между торцевой поверхностью моноблока и торцевой поверхностью выступа с зеркальным покрытием. 5. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что геттерная полость выполнена одной частью в моноблоке с образованием керна, охватывающего оконечную часть лазерного канала и коаксиального ему, а остальной частью в подложке зеркала с образованием соосного лазерному каналу выступа, поперечные размеры которого превышают диаметр канала, и соединена с последним через зазор между торцом керна и торцевой поверхностью выступа с зеркальным покрытием. 6. Лазер по п. 5, отличающийся тем, что диаметр выступа не превышает диаметра керна, торец которого лежит в плоскости торцевой поверхности моноблока. 7. Лазер по п. 4 или 5, отличающийся тем, что каждый из упомянутых геттеров установлен в подложке зеркала в удаленной от зазора части полости. 8. Лазер по п. 2, 4 или 5, отличающийся тем, что геттерная полость ограничена поверхностью цилиндрической формы, соосной лазерному каналу. 9. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что геттерная полость выполнена в моноблоке в области, смежной с лазерным каналом и соединена с ним с помощью первого дополнительного канала. 10. Лазер по п. 9, отличающийся тем, что геттерная полость является цилиндрической и выполнена параллельно лазерному каналу. 11. Лазер по п. 2 или 9, отличающийся тем, что геттер установлен у торцевой поверхности моноблока. 12. Лазер по п. 7 или 11, отличающийся тем, что каждый геттер имеет форму кольца. 13. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что катодная полость расположена у указанной или другой торцевой поверхности моноблока. 14. Лазер по пп. 1 и 13, отличающийся тем, что катодная и каждая геттерная полости герметизированы подложками зеркал. 15. Лазер по пп. 2 и 13, отличающийся тем, что катодная полость выполнена в моноблоке с образованием керна, охватывающего другую оконечную часть лазерного канала и коаксиального ему, и соединена с последним через по меньшей мере одно сквозное отверстие в стенках керна. 16. Лазер по п. 13, отличающийся тем, что катодная полость выполнена в моноблоке в области, смежной с лазерным каналом, и соединена с ним с помощью второго дополнительного канала. 17. Лазер по п. 15 или 16, отличающийся тем, что катодная полость ограничена поверхностью цилиндрической формы. 18. Лазер по п. 2, 5 или 8, отличающийся тем, что геттерная полость является одновременно катодной, катод имеет форму полого цилиндра с диаметром, соответствующим диаметру полости, установлен в этой полости коаксиально лазерному каналу в удаленной от зазора ее части и соединен с ним через по меньшей мере одно сквозное отверстие в стенке керна для контактирования катода с активной средой, а геттер расположен в другой части полости. 19. Лазер по пп. 9 и 10, отличающийся тем, что геттерная полость является одновременно катодной, а катод выполнен в виде цилиндрического стакана, обращенного тыльной стороной к геттеру, установлен в этой полости с зазором и расположен между геттером и вводом первого дополнительного канала. 20. Лазер по п. 1, 2, 4 или 5, отличающийся тем, что штенгель установлен на боковую стенку выемки, выполненной в боковой поверхности моноблока, обращенную к геттерной полости, и соединен с последней вспомогательным каналом, наклонным к лазерному каналу. 21. Лазер по п. 1, 2, 4 или 5, отличающийся тем, что штенгель установлен на подложку зеркала вне ее осевой области, соответствующей зеркальному покрытию, и соединен с геттерной полостью вспомогательным каналом, наклонным к лазерному каналу. 22. Лазер по пп. 9 и 10, отличающийся тем, что штенгель установлен на дне выемки, выполненной в боковой поверхности моноблока и соединен с геттерной полостью вспомогательным каналом, наклонным к лазерному каналу. 23. Лазер по п. 1, 16 или 19, отличающийся тем, что лазерный канал имеет параллельные друг другу участки, соединенные перпендикулярными им участками и ограниченные в месте соединения дополнительно введенными поворотными зеркалами, герметично установленными на скошенных под соответствующими углами частях торцевых поверхностей моноблока, а каждый параллельный участок лазерного канала соединен с соответствующей анодной полостью и общей для всех таких участков катодной полостью. 24. Лазер по п. 23, отличающийся тем, что при использовании двух параллельных участков лазерного канала концевые зеркала, установленные на противоположной поворотным зеркалам торцевой поверхности моноблока, расположены в одной плоскости и имеют единую подложку. 25. Лазер по пп. 1, 23 и 24, отличающийся тем, что зеркальное покрытие каждого зеркала нанесено на наружную поверхность его подложки, на внутреннюю поверхность которой нанесено просветляющее покрытие.