ВОЛНОВОДНЫЙ CO*002-ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНЫМ ВЧ-ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано в технологии машиностроения и медицине.

Известен лазер с поперечным ВЧ-возбуждением, содержащий две электродные пластины и две боковые диэлектрические пластины, образующие волноводный канал с прямоугольным поперечным сечением. На электродные пластины подается напряжение в диапазоне от 30 МГц до 3 ГГц, что позволяет при возбуждении разряда в камере снизить до минимума взаимодействие электронов в разряде с электродами. В результате увеличивается рабочий ресурс лазера, снижается диссоциация газа, увеличивается стабильность и однородность разряда, возрастает к.п.д. значительно понижается требуемое напряжение возбуждения, уменьшается размер лазера и упрощается его конструкция (пат. США N 4169251, кл. H 01 S 3/097, 25.09.79.).

Недостаток известного лазера обусловлен скоростью обновления газа в зоне разряда, которое осуществляется в данном случае только за счет конвекции газа через торцы волноводного канала. Обновление газа необходимо для удаления из зоны разряда продуктов диссоциации молекул CO₂ и позволяет существенно повысить мощность лазера.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту предлагаемому изобретению является волноводный СO₂-лазер с поперечным ВЧ-возбуждением (I. G. Xin, P. Van, G.H. Wei, RF-excited allmetall waveguide CO₂ laser. "Appl. Plys. Zett. 59/26/, 1991, p. 3363 3365). Лазер содержит герметичный корпус с ВЧ-вводом и зеркалами резонатора, внутри которого расположены верхняя электродная пластина, соединенная с ВЧ-вводом, нижняя электродная пластина, снабженная каналом для водяного охлаждения и две боковые металлические пластины, размещенные с зазором по отношению к упомянутым электродам и на удалении друг от друга. В результате такого расположения образуется волноводный канал прямоугольного поперечного сечения. Использование металлических стенок волноводного канала позволяет организовать эффективный теплоотвод из зоны разряда и тем самым повысить мощность генерации.

Основной недостаток данного лазера заключается в том, что электрическая изоляция между электродами и боковыми металлическими пластинами, необходимая для локализации разряда в зоне волноводного канала, организована с помощью зазоров размером порядка 0,1 мм и оксидирования боковых стенок волноводного канала. Электрическая прочность таких газовых зазоров согласно закона Пашена определяется произведением давления газа Р на ширину зазора d, что накладывает ограничение на соотношение между указанными величинами. При этом оптимальные с точки зрения электрической прочности произведения P • d могут выполняться в диапазоне давлений Р не оптимальных для эффективного возбуждения активной среды CO₂-лазера. Кроме того, верхний и нижний электроды лазера (также с целью локализации разряда в зоне волноводного канала) не имеют диэлектрической оксидной пленки, что повышает волноводные потери по сравнению с чисто диэлектрическим каналом и снижает срок службы лазера вследствие неизбежного окисления электродов при взаимодействии с плазмой разряда.

Помимо этого, отсутствие механического контакта между пластинами, образующими волновод, снижает эффективность охлаждения зоны разряда за счет теплоотвода на охлаждаемую водой нижнюю электродную пластину. Использование независимого водяного охлаждения всех элементов волноводного канала существенно усложняет конструкцию лазера.

Технической задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков для повышения мощности лазера.

В основу изобретения поставлена задача такого изменения конструкции лазера, чтобы исключить возможность зажигания разряда вне зоны волноводного канала с одновременной интенсификацией процессов охлаждения и обновления газа в волноводном канале за счет включения механизма диффузионного теплоотвода на охлаждаемый нижний электрод лазера и механизма конвективной самопрокачки через зазоры между электродами и боковыми стенками лазера.

Сущность решения поставленной задачи заключается в том, что в CO₂-лазере с поперечным ВЧ-возбуждением, содержащим герметичный корпус с ВЧ-вводом и зеркалами резонатора, внутри которого расположены верхняя электродная пластина, соединенная с ВЧ-вводом, нижняя электродная пластина, снабженная каналом для водяного охлаждения, и две боковые пластины, образующие совместно с упомянутыми электродными пластинами волноводный канал прямоугольного поперечного сечения с продольными зазорами по углам, боковые пластины выполнены из диэлектрического материала и находятся в тепловом контакте с электродными пластинами, а в непосредственной близости от контактирующих поверхностей в электродных пластинах выполнены поперечные конвекционные каналы, соединяющие продольные зазоры в волноводном канале с буферным объемом герметичной камеры, причем суммарная площадь S_к поперечных сечений конвекционных каналов выбирается из соотношения S_з ≅ S_к << S_б, где S_з суммарная площадь продольных зазоров в волноводном канале, S_б суммарная площадь поверхности теплового контакта боковых и электродных пластин.

Благодаря указанным нововведениям сохраняются условия для интенсификации процесса обновления газовой смеси в волноводном канале, поскольку становится возможным конвекционное движение газовой смеси в волноводном канале через продольные зазоры в упомянутом канале и поперечные конвекционные каналы, выполненные в пластинах. При этом сохраняется максимальная эффективность теплоотвода и отсутствуют ограничения, связанные с локализацией разряда в волноводном канале, то есть допускается работа при оптимальных для накачки лазера соотношениях P • d, и электроды могут иметь диэлектрические покрытие, уменьшающее волноводные потери канала и повышающее срок службы лазера за счет уменьшения скорости окисления металлических поверхностей, контактирующих с разрядом.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлен поперечный разрез волноводного CO₂-лазера.

Волноводный СO₂-лазер с поперечным ВЧ-возбуждением содержит корпус 1 с ВЧ-вводом 2. Внутри корпуса 1 расположена верхняя электродная пластина 3, с поперечными конвекционными каналами 4, которая соединена с ВЧ-вводом 2. Диэлектрические пластины 5 установлены между верхней электродной пластиной 3 и нижней электродной пластиной с конвекционными каналами 6. Нижняя электродная пластина 7 изготавливается более широкой по сравнению с электродной пластиной 3 и снабжена каналами для водяного охлаждения (на чертеже не показаны). Обращенные друг к другу горизонтальные поверхности электродных пластин 3, 7 вместе с обращенными друг к другу вертикальными поверхностями пластин 5 образуют волноводный канал 8, в котором происходит нагрев газовой активной среды. Между упомянутыми электродными пластинами 3, 7 и диэлектрическими пластинами 5 обеспечивается хороший тепловой контакт, для чего контактирующие поверхности подвергают либо тщательной механической обработке либо между ними вводится промежуточный слой из мягкого проводящего материала (индий, теплопроводящая паста и т.п.). Электроды 3, 7 изготавливаются из алюминия или из алюминиевого сплава, а их поверхности во избежание эрозии (окисления) под действием разряда покрыты специальной корундовой пленкой, которая полируется для уменьшения волноводных потерь. Между стенками волноводного канала 8 организованы продольные зазоры h, к которым подходят верхние 4 и нижние 6 конвекционные каналы. Величина h составляет 0,05 0,1 ширины волноводного канала 8. Увеличение h целесообразно с точки зрения условий конвекционного обновления газовой смеси в канале 8, однако, при этом неизбежно возрастание волноводных оптических потерь. Суммарная площадь конвекционных каналов выбирается из соотношения S_з ≅ S_к << S_б, где S_з суммарная площадь продольных зазоров в волноводном канале, S_б суммарная площадь поверхности теплового контакта боковых и электродных пластин.

Перед включением лазера герметичный корпус 1 заполняют газовой смесью CO₂ He при давлении Р в пределах 3 • 10³ 35 • 10³ Па, через нижнюю электродную пластину 7 пропускают воду системы водяного охлаждения.

Лазер работает следующим образом. На ВЧ-ввод подается напряжение от ВЧ-генератора. Под действием ВЧ-поля в волноводном канале 8 между электродными пластинами 3, 7 зажигается поперечный газовый разряд. Под действием ВЧ разряда за счет столкновений с электронами происходит возбуждение колебательного уровня (V 1) молекул азота. При столкновениях с молекулами CO₂ данное возбуждение с большой вероятностью передается последним. При этом создается инверсная заселенность между уровнями 00 1 10 0 (02 0) молекулы CO₂ и такая среда оказывается способной усиливать излучение с длиной волны в области 9,4 10,7 мкм. Благодаря наличию резонатора, образованному двумя плоскими зеркалами M₁ и M₂ (на чертеже не показан) с коэффициентом отражения (соответственно 99% и 90 95%), в волноводном канале возникает и усиливается световое излучение, часть которого выходит из лазера через полупрозрачное зеркало M₂, образуя выходной лазерный луч.

Для эффективной работы лазера температура газа в центре волноводного канала 8 не должна превышать 300 350^oC. Поддерживание такой температуры газа требует эффективного охлаждения элементов 3, 5, 7, образующих волноводный канал 8. В рассматриваемом лазере охлаждение газа осуществляется за счет двух процессов. Во-первых, за счет диффузии "горячих" молекул газа (в основном гелия) на охлаждаемые элементы волноводного канала 3, 5, 7. Постоянная времени данного процесса определяется временем диффузии молекул к стенкам канала и на практике составляет 1 м сек. Наиболее эффективно процесс происходит при взаимодействии "горячих" молекул с охлаждаемой водой электродной пластиной 7. Элементы волноводного канала 3, 5 также передают тепло на электродную пластину 7 за счет теплового контакта с последней. Однако при этом их охлаждение оказывается менее эффективным и в общем случае они находятся при более высокой температуре (реально на несколько градусов С). Тем не менее, такой процесс при выполнении приведенных выше соотношений между площадью каналов и площадью тепловых контактов (S_к << S_б), а также при соблюдении требований на качество последних, является достаточным для охлаждения волноводного канала 8, требуемого для эффективной работы лазера. Вторым процессом, играющим роль в охлаждении газа, является выход "горячих" молекул из зоны разряда за счет поперечной тепловой конвекции в гравитационном поле. Направление конвекционных потоков газа показано на чертеже штриховыми линиями. Нагретый газ из волноводного канала 8 через верхние продольные зазоры и конвекционные каналы 4 поступает в буферный объем герметичного корпуса 1. При конвективном движении нагретого газа происходит постепенное его охлаждение за счет взаимодействия со стенками конвекционных каналов и внутренней поверхностью герметичного корпуса 1. Более холодный газ из буферного объема поступает через систему нижних конвекционных каналов 6 и нижние продольные зазоры в волноводный канал 8. Данный процесс является существенно более медленным (на один два порядка) по сравнению с временем диффузии и играет вторичную роль в охлаждении газа. Однако, такой процесс крайне важен с точки зрения обновления газа в зоне разряда. При горении ВЧ-разряда в волноводном канале 8 происходит диссоциация молекул CO₂ на СO и O₂. В результате этой реакции уменьшается концентрация молекул CO₂ в газовой смеси, что обуславливает значительное (до 30%) падение мощности генерации. Постоянная времени данной реакции составляет доли секунды, то есть оказывается соизмеримой с временем конвективного обновления газа в волноводном канале. Таким образом, процесс поперечной тепловой конвекции позволяет эффективно обновлять газ в зоне разряда и тем самым препятствует падению мощности генерации за счет диссоциации молекул CO₂. В ходе указанного выше конвективного движения газа происходит частичное восстановление концентрации молекул СO₂ вследствие обратной реакции. При этом на пути газа могут располагаться дополнительные элементы, позволяющие полностью восстанавливать газовую смесь (катализаторы, доноры кислорода или СO₂ и т.п.).

Согласно предлагаемому изобретению был создан волноводный СO₂-лазер с ВЧ-возбуждением. Длина электродов лазера составляла 350 мм. Боковые стенки волноводного канала были изготовлены из лейкосапфира и образовывали с электродами волноводный канал сечением 3,5 х 3,5 мм. При этом S_з 70 мм², S_б 7000 мм², S_к 750 мм². Волноводный канал был смонтирован в герметичном цилиндрическом корпусе с внутренним ⊘ 64 мм. Резонатор был образован двумя плоскими зеркалами: плотным с коэффициентом отражения > 99% и полупрозрачным с коэффициентом пропускания 10% Разряд возбуждался от ВЧ-генератора, работающего на частоте 108 МГц. ВЧ-мощность поступала в герметизированный корпус через вакуумный ВЧ-ввод. Исследования показали, что созданный лазер позволяет получать удельную мощность генерации > 80 Вт/м, что существенно превышает результат, полученный в прототипе 40 Вт/м.

Использование: изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано в технологии машиностроения и медицине. Сущность В СО₂-лазере, содержащем герметичный корпус с ВЧ-вводом и зеркалами резонатора, внутри которого расположены верхняя электродная пластина, соединенная с ВЧ-входом, нижняя электродная пластина, снабженная каналом для водяного охлаждения, и две боковые пластины, образующие совместно с упомянутыми электродными пластинами волноводный канал прямоугольного поперечного сечения с продольными зазорами по углам. Боковые пластины выполнены из диэлектрического материала и находятся в тепловом контакте с электродными пластинами. При этом в пластинах выполнены поперечные конвекционные каналы с буферным объемом герметичного корпуса, причем суммарная площадь S_к поперечных сечений конвекционных каналов выбирается из соотношения: S_з ≅ S_к << S_б, где S_з - суммарная площадь продольных зазоров в волноводном канале, S_б - суммарная площадь поверхности теплового контакта боковых и электродных пластин. 1 ил.

Волноводный СО₂-лазер с поперечным ВЧ-возбуждением, содержащий герметичный корпус с ВЧ-вводом и зеркалами резонатора, внутри которого расположены верхняя электродная пластина, соединенная с ВЧ-вводом, нижняя электродная пластина, снабженная каналом для водяного охлаждения, и две боковые пластины, образующие совместно с упомянутыми электродными пластинами волноводный канал прямоугольного сечения с продольными зазорами по углам, отличающийся тем, что боковые пластины выполнены из диэлектрического материала и находятся в тепловом контакте с электродными пластинами, а в непосредственной близости от контактирующих поверхностей в пластинах выполнены поперечные конвекционные каналы, соединяющие продольные зазоры в волноводном канале с буферным объемом герметичного корпуса, причем суммарная площадь S_к поперечных сечений конвекционных каналов выбирается из соотношения
S_з ≅ S_к ≅ S_б,
где S_з суммарная площадь продольных зазоров в волноводном канале;
S_б суммарная площадь поверхности теплового контакта боковых и электродных пластин.