МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЙ АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА Российский патент 1997 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к газовым, в частности, к ионным лазерам.

Металлокерамические лазерные трубки активные элементы с внешней оболочкой из керамики на основе Al₂O₃ [1] обладают рядом достоинств и получили широкое распространение. На их базе фирмами Spectra Physics, Coherent выпускается ряд коммерческих моделей лазеров.

Лазерные трубки, включающие внешнюю керамическую оболочку сплошную [1] или секционированную металлокерамическую с чашеобразными элементами, имеющими пространственный ограничитель разряда, с анодным и катодным узлом, с оптическим узлом для вывода излучения, состоят из замкнутого объема с газообразным наполнением. Тепло из зоны разряда выносится охлаждающему потоку жидкости или газа системой чашеобразных элементов из материала с высокой теплопроводностью либо через керамическую оболочку трубки [1] либо через внешние радиаторы. Чашеобразные элементы соединены с керамической оболочкой твердым припоем. Каждый чашеобразный элемент содержит систему периферийных отверстий связи для компенсации ката- и электрофорезных явлений, влияющих на работу трубки, и цилиндрический пространственный ограничитель разряда с диском из высокотемпературного материала, имеющим центральное отверстие, который скреплен с последним твердым припоем и пространственно ограничивает разряд. Система чашеобразных элементов, включая и пространственные ограничители разряда, с общей осью образует пространственно-разнесенную решетку и служит для создания газоразрядного промежутка с основной, центральной активной зоной дугового разряда, в дальнейшем разрядного канала.

В рассмотренном случае [1] для надежного зажигания разряда по основным, центральным отверстиям пространственных ограничителей разряда пытаются увеличить сопротивление по боковым, периферийным отверстиям связи.

Существует несколько способов это сделать. Один из них за счет уменьшения диаметра периферийных отверстий при одновременном увеличении их количества. Так как для чашеобразных элементов используется обычно медь или медесодержащие сплавы, то изготовление системы маленьких периферийных отверстий в вязком материале затруднительно при соотношении толщины листа к диаметру отверстия более 5. Обычно толщина листа, из которого делают чашеобразные элементы, не более 2 мм. Этот способ для протяженных ограничителей разряда неприемлем. Поэтому используется дополнительно либо удлинение эффективного пути при ограниченном сечении либо модификации, что усложняет конструкцию и уменьшает пропускную способность по газу. При этом обязательно должно быть выполнено условие отсутствия каскадного горения между чашеобразными элементами. Максимально допустимое расстояние между ними зависит от рода газа и уменьшается с падением потенциала ионизации применяемого газа.

В металлокерамическом активном элементе газового лазера, описанном в [2] (прототип), содержится оптический узел для вывода излучения, катодный и анодный узлы и газоразрядный промежуток, образованный частью металлокерамической оболочки с расположенными внутри чашеобразными элементами, имеющими отверстия связи, надежную пространственную фиксацию и гарантированный тепловой контакт с оболочкой и с пространственным ограничителем разряда. Пространственный ограничитель разряда выполнен в виде цилиндра из высокотемпературного материала. Переход на такой цилиндрический ограничитель оправдан хотя бы из-за того, что он увеличивает мощность излучения без применения магнитного поля. Естественно, имеются и другие преимущества. Однако, в этом случае имеется побочный эффект уменьшается надежность зажигания по основным центральным отверстиям газоразрядного промежутка, а также возникают ограничения по току, связанные с сильным проявлением электро- и катафоретических явлений на работу лазера. Именно поэтому даже коммерческие модели лазеров, при длинах разрядного канала 50 см (заполнение аргоном) требуют для нормальной работы внешний обводной канал.

В данной конструкции [2] на каждый пространственный ограничитель разряда приходится один чашеобразный элемент из сплошного материала и сечение отверстий связи еще меньше, чем [1] Все чашеобразные элементы и пространственные ограничители данного устройства [2] однотипны по конструкции.

Задачей, решаемой изобретением, является упрощение технологии изготовления, достижение эффективной компенсации катаи электрофореза при полной гарантии зажигания по основным центральным отверстиям газоразрядного промежутка и высокой газопропускной способности для всех видов пространственных ограничителей разряда, в том числе и протяженных, изготовленных из диэлектрических материалов.

Поставленная задача решается за счет того, что металлокерамический активный элемент газового лазера, содержащий оптический узел для вывода излучения, катодный и анодный узлы и газоразрядный промежуток, образованный частью металлокерамической оболочки с расположенными внутри чашеобразными элементами, имеющими отверстия связи, пространственную фиксацию и тепловой контакт с оболочкой и пространственными ограничителями разряда, снабжен гасителями разряда, препятствующими возникновению побочного разряда и расположенными внутри той части металлокерамической оболочки, к которой принадлежит газоразрядный промежуток. Причем при использовании диэлектрического, протяженного и единого ограничителя разряда для объединенных им чашеобразных элементов необходим по крайней мере один гаситель разряда.

Кроме того, для упрощения центровки при длинных разрядных каналах, а также для улучшения радиального газообмена с центральным отверстием, которое служит активной зоной дугового разряда, он снабжен единым для всех чашеобразных элементов протяженным газопроницаемым диэлектрическим ограничителем разряда.

Такая конструкция активных элементов, содержащая внешнюю керамическую оболочку сплошную или секционированную, чашеобразный элемент с заявленным гасителем разряда, в частности протяженным, качественно отличается от известных конструкций.

Рассмотрим одну из частных реализаций предлагаемой конструкции, которая изображена на фиг. 1. В качестве протяженного ограничителя разряда используется единая сплошная трубка малого внутреннего диаметра ≃, например, из окиси бериллия, нитрида бора, нитрида алюминия или других подходящих керамических (диэлектрических) материалов. Она содержит все элементы конструкции лазера керамическую оболочку 1, чашеобразные элементы 2, пространственный ограничитель разряда 3, отверстия связи 4, чашеобразный элемент, который содержит, помимо отверстий связи, и гаситель разряда 5, зеркала 6, катод 7 и анод 8. Естественно, возможны другие конструкции с брюстеровскими окошками, которые для простоты не рассматриваются.

В предлагаемом решении для достижения максимальной газопропускной способности при стопроцентной надежности зажигания по основному, центральному отверстия газоразрядного промежутка необходимо иметь по крайней мере один чашеобразный элемент с гасителем разряда, а остальные чашеобразные элементы должны иметь отверстия связи с большими сечениями, в отличие от конструкции [2] где все чашеобразные элементы должны иметь большое количество периферийных отверстий малого диаметра и поэтому возникают технологические сложности при их изготовлении.

Использование чашеобразных элементов с индивидуальными ограничителями разряда [2] при малых сечениях разрядной трубки менее эффективно по отношению к предлагаемому протяженному ограничителю разряда с несколькими чашеобразными элементами со своим ограничителем разряда, т.к. в отсутствие магнитного поля или при малых магнитных полях диффузионное расширение плазмы в промежутках приводит к меньшему усилению и меньшей выходной мощности. Поэтому в лазерах с воздушным охлаждением используют единый протяженный ограничитель разряда.

Кроме того, отпадает необходимость в центровке индивидуальных ограничителей разряда и технологических приспособлениях для ее обеспечения, т.к. эту функцию выполняет сам протяженный ограничитель разряда.

Разрядный канал, изготовленный из нескольких протяженных ограничителей разряда, имеет частично или полностью перечисленные преимущества и их использование целесообразно в разрядных трубках активных элементов, с длинными разрядными каналами. Использование единичного протяженного ограничителя разряда целесообразно при длинах разрядного канала не более 300 мм, т.е. в этом случае система периферийных отверстий и протяженный ограничитель разряда почти справляются со всеми негативными проявлениями ката- и электрофорезных явлений. Выше предполагалось, что наполнение разрядной трубки произведено аргоном. При наполнении разрядной трубки газом с более низкими потенциалами ионизации необходимо использовать более короткие протяженные ограничители разряда.

Ранее и в дальнейшем подразумевается, что гасителями разряда являются пространственные структуры, имеющие большое количество протяженных каналов, проницаемых для газа. Здесь подразумевается, что характерное сечение канала S сопоставимо с дебаевской длиной λ_D, а длина канала в несколько раз превышает характерное сечение канала. В таких структурах развитие самостоятельного разряда невозможно. В дальнейшем подразумевается, что эффективная (суммарная) площадь всех каналов гасителя в несколько раз должна превышать сечение основного центрального разрядного канала. Эффективная площадь и эффективная длина (средняя по всем каналам) гасителя будет определять качество гасителя разряда.

На фиг. 2, 3, 4 показано несколько реализаций гасителей. На фиг. 2, например, каналы образованы нанесенными концентрическими канавками небольшой глубины и концентрической плоской накладкой. Система отверстий связи в чашеобразном элементе и концентрической плоской накладке сдвинуты относительно друг друга, чтобы левые и первые внутренние объемы относительно чашеобразного элемента сообщались только через образованные каналы. На фиг. 3 показаны гасители (5), образованные пористой структурой (спеченные шарики, стружка и т. д. ) и они накладываются на отверстия связи (4). Основное тепло выводится через чашеобразные элементы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью. На фиг. 4 чашеобразный элемент выполнен из пористого материала, телпопроводность которого достаточна для вывода выделяющейся в разряде мощности внутри пространственного ограничителя разряда. Такой гаситель разряда полностью совмещен с чашеобразным элементом и не имеет непосредственно отверстий связи.

Гасители разряда и его элементы, например, концентрическую плоскую накладку на фиг. 2, можно изготовить из тонкой кислородсодержащей медной полосы, фольги. Последующий отжиг в водородной печи при 600+1000^oС приводит к появлению мелкоячеистой, пористой структуры с хорошей газопроницаемостью и полностью исключающей зажигание разряда вне основного, центрального газоразрядного промежутка. Газопроницаемость регулируется толщиной фольги, полосы, а также концентрацией кислорода в материале. При использовании гасителей разряда, изготовленных из фольги порядка 10+200 мкм, целесообразно основную тепловую нагрузку по теплопередаче и механическую прочность распределить на чашеобразный элемент, как это показано на фиг. 2, 3, т.к. при такой толщине чашеобразный элемент, полностью изготовленный из кислородосодержащей меди, не будет обладать ни нужной теплопередачей, ни механической прочностью.

Как уже упоминалось ранее, сплошной протяженный ограничитель разряда с гасителем разряда хоpошо работает при определенных длинах разрядного канала и эта длина зависит от сорта газа. Поэтому для нормальной работы разрядной трубки с большой длиной необходимо организовать радиальный приток газа, что делается последовательным использованием протяженных ограничителей разряда с зазором.

Однако в этом случае возникает естественная цель сохранить преимущество (отсутствие необходимости центровки). Поставленная цель достигается тем, что используется единый протяженный газопроницаемый диэлектрический ограничитель разряда. Можно предложить множество таких конструкций ограничителя разряда, например, использовать пористую керамику, составить ограничитель разряда из частей разрезанного надвое цилиндрического сплошного ограничителя разряда с небольшим зазором. Существуют и другие способы достижения газопроницаемости. Все они должны обладать свойствами гасителя разряда, которые осуждались ранее.

Положительный эффект от используемого технического решения заключается в следующем:
1. Полностью исключается возможность загорания разряда вне основного центрального разрядного канала, что приводит к увеличению надежности и ресурса.

2. Повышенная газопропускная способность системы отверстий связи с гасителем смешает в сторону больших токов разряда границу возникновения концентрационных неустойчивостей в плазме разряда, что позволяет работать при повышенных плотностях возбуждения, и, как следствие, получать удельную мощность. Для достижения максимальной газопропускной способности системы отверстий связи необходимо иметь один гаситель разряда на группу чашеобразных элементов, объединенных протяженным ограничителем разряда. Причем функции отверстий связи и гасителя в одном или во многих чашеобразных элементах могут быть совмещены.

3. Расширяется возможность применения в конструкциях с газовым и жидкостным охлаждением, а также в конструкциях без использования магнитного поля.

4. Упрощается технология изготовления.

Использование: в квантовой электронике, в частности в металлокерамических активных элементах газового лазера. Сущность изобретения: в металлокерамический активный элемент, содержащий оптический узел для вывода излучения, катодный и анодные узлы и газоразрядный промежуток, образованный частью металлокерамической оболочки с расположенными внутри чашеобразными элементами 2, имеющими отверстия связи 4, пространственную фиксацию и тепловой контакт с оболочкой 1 и пространственными ограничителями разряда 3, введены гасители разряда 5. Основной газоразрядный промежуток составлен одним диэлектрическим пространственным ограничителем разряда или их группой, центрированной вдоль оптической оси, причем совокупность чашеобразных элементов, объединенных протяженным диэлектрическим ограничителем разряда, имеет не менее одного гасителя разряда. Металлокерамический активный элемент снабжен единым для всех чашеобразных элементов протяженным газопроницаемым диэлектрическим ограничителем разряда. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Металлокерамический активный элемент газового лазера, содержащий оптические узлы для вывода излучения, катодный и анодные узлы и газоразрядный промежуток, образованный частью металлокерамической оболочки с расположенными внутри чашеобразными элементами, имеющими отверстия связи, пространственную фиксацию и тепловой контакт с оболочкой и с пространственным ограничителем разряда, отличающийся тем, что он снабжен по крайней мере одним гасителем разряда, расположенным внутри той части металлокерамической оболочки, к которой принадлежит газоразрядный промежуток. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен по крайней мере одним гасителем разряда на группу чашеобразных элементов, объединенных пространственным ограничителем разряда, диэлектрическим и протяженным. 3. Элемент по п. 2, отличающийся тем, что он снабжен ограничителем разряда, газопроницаемым и единым для всех чашеобразных элементов.