ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1999 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к лазерной технике и может использоваться при производстве молекулярных газовых лазеров с высокочастотным возбуждением для систем лазерной локации и связи, а также при создании лазерных технологических установок для высокоточной обработки материалов и медицинской техники.

Одним из эффективных способов увеличения срока службы отпаянных молекулярных газовых лазеров является использование стабилизаторов газового состава (катализаторов, регенераторов). В известном устройстве (см. заявку Франции N 2575869, кл. H 01 S 3/095, опубл. 11.07.86 г.) катализатор с зернами цеолитовой подложки размещается в патроне, установленном между газоразрядной трубкой лазера и дополнительным резервуаром с рабочей газовой смесью. Патрон с цеолитовыми зернами, пропитанными катализатором, служит механическим фильтром для активной газовой среды, а также окислителем и катализатором продуктов ее распада. Известно, что регенерационная способность катализатора повышается с его нагревом, однако в данной конструкции из-за удаленности от зоны разряда, где наиболее высокая температура активной газовой среды и наиболее активны плазмо-химические реакции разложения молекул CO₂, эффективность работы катализатора низка и для ее повышения даже требуется дополнительный нагрев катализатора от внешнего источника.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является газовый лазер (см. авт. свид. СССР N 1634088, кл. H 01 S 3/03, приоритет от 08.09.89 г. ), включающий источник накачки, заполненный рабочей смесью корпус, размещенный в нем волноводный разрядный канал, образованный электродами, оптический резонатор и стабилизатор газового состава, расположенный в непосредственном контакте с фланцем, на внутренней стороне которого установлены поворотные зеркала резонатора. В этом устройстве нагрев катализатора происходит за счет тепла, выделяемого на поворотных зеркалах в результате поглощения части световой энергии, что обеспечивает определенную стабильность уровня мощности излучения. При деградации отражающей поверхности поворотных зеркал происходит снижение мощности лазера и одновременно повышается температура зеркал, что проводит к повышению регенерационной способности катализатора, а значит к уменьшению степени диссоциации молекул CO₂ и, как следствие, к увеличению мощности излучения. Однако и эта конструкция не обеспечивает длительную работу лазера в заданном номинальном диапазоне мощностей. В этой конструкции затруднен активный газообмен между катализатором и зоной, где непосредственно происходит диссоциация молекул CO₂ - областью накачки. Кроме того, при использовании качественной резонаторной оптики с коэффициентом отражения более 99% достаточно проблематично обеспечить требуемый нагрев катализатора.

Технический эффект предложенного газового лазера заключается в повышении долговечности.

Для достижения указанного эффекта создан газовый лазер, включающий источник накачки, заполненный рабочей смесью корпус, размещенный в нем волноводный разрядный канал, образованный электродами, зеркала оптического резонатора и стабилизатор газового состава. Новым в устройстве является то, что стабилизатор газового состава размещен под рабочей поверхностью по меньшей мере одного из электродов, при этом рабочая поверхность электрода, под которой размещен стабилизатор газового состава, выполнена газопроницаемой.

При выполнении разрядного канала волноводным возможны два вида устройств:
- разрядный канал, выполненный в виде капилляра с типичным поперечным сечением 3 • 3 мм² и образующий волноводный резонатор света;
- разрядный канал, выполненный в виде щели с типичным поперечным размером 3 • 40 мм², в котором формирование излучения по одной координате происходит посредством распространения волноводных мод, а по другой - мод свободного пространства.

Если в предложенной конструкции источники накачки выполнить высокочастотным (см. п.2 формулы), то обеспечивается большая долговечность лазера.

Выполнение рабочей поверхности электрода, под которой размещен стабилизатор газового состава, сетчатой (см. п.3 формулы) обеспечивает при повышенном удельном энергосъеме большую долговечность лазера.

Если выполнить рабочую поверхность электрода, под которой размещен стабилизатор газового состава перфорированной по краям вдоль электрода (см. п. 4 формулы), то при повышении удельного энергосъема и долговечности дополнительно обеспечивается стабилизация модового состава излучения лазера.

На чертеже показан общий вид газового лазера в разрезе (пример конкретного исполнения по пп.1, 2).

Устройство содержит корпус 1 с фланцами 2, разрядный канал 3, образованный электродами 4, 5, зеркала оптического резонатора 6, 7 и размещенный за электродом 5 стабилизатор газового состава 8. Потенциальный электрод 4 соединен с ВЧ-генератором 9 через изолированный от оболочки лазера 1 вакуумно-плотный ввод 10. Охлаждение лазерного излучателя осуществляют путем прокачки хладогента через каналы в корпусе 1 (не показаны).

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения от генератора 9 на электроды 4 и 5 в разрядном канале 3 между электродами 4 и 5 зажигается разряд и в резонаторе, образованном зеркалами 6 и 7, возникает генерация. Процесс вклада энергии в активную среду лазера сопровождается существенными изменениями ее первоначального химического состава. В результате плазмохимических реакций в разряде, активизирующихся при нагреве активной среды, происходит уменьшение молекул CO₂ до значения, соответствующего определенному динамическому равновесию между процессами диссоциации (CO₂ ---> CO + 0,5O₂) и восстановления молекул CO₂ в газе (2CO + O₂ ---> 2CO₂), что приводит к снижению инверсии среды и мощности генерации. Снижение концентрации молекул CO₂ может достигать 50% и более. В результате газообмена с буферным объемом концентрация молекул CO₂ несколько повышается в зависимости от эффективности процесса газообмена.

При наличии в разрядном канале каталитического стабилизатора газового состава, на поверхности которого эффективность регенерации молекул CO₂ значительно выше эффективности процесса восстановления в объеме газа, уровень концентрации CO₂ непосредственно в активной среде существенно повышается. Эффективность стабилизатора газового состава определяется его каталитической активностью, зависящей от температуры (с повышением температуры эффективность резко возрастает). Поэтому нагрев стабилизатора газового состава 8 за счет тепла, выделяемого в разрядном канале, приводит к восстановлению значительной части прореагировавших молекул CO₂.

Эти процессы ведут к повышению мощности излучения и, соответственно, к повышению удельного энергосъема. Через некоторое время после включения лазера наступает тепловое равновесие между процессами нагрева стабилизатора и рассеяния тепла в окружающую среду и достаточно быстро устанавливается квазистационарный химический баланс, что и обеспечивает длительную стабильную работу лазера.

Применительно к волноводным лазерам реализация описанного механизма повышения мощности с помощью катализатора осложняется необходимостью выполнения двух взаимоисключающих требований. Для обеспечения эффективного обмена с катализатором стенка волновода должна быть газопроницаемой, а для снижения резонаторных потерь стенки волновода должны быть изготовлены с высоким оптическим качеством. Нами было показано, что при использовании волновода с газопроницаемыми стенками (относительно невысокого оптического качества) и стабилизатора газового состава, размещенного в непосредственной близости от рабочей зоны, совокупный эффект оказывается положительным.

Предложенное конструктивное решение наиболее эффективно для лазеров с капиллярным каналом, где значительно затруднен газообмен между буферным объемом и разрядным промежутком. Это решение эффективно и для щелевых лазеров, хотя эффект менее выражен из-за отсутствия боковых стенок в разрядном канале. В обоих случаях в установлении уровня концентрации CO₂ в разрядном промежутке в процессе работы определяющую роль имеет каталитическая активность стабилизатора газового состава 8.

Если выполнить рабочую поверхность электрода перфорированной по краям вдоль электрода (см. п. 4 формулы) и таким образом увеличить в волноводном резонаторе потери для мод высших порядков, то можно реализовать генерацию на гибридной волноводной моде EH₁₁, при которой выходной пучок лазера имеет по сечению близкое к Гауссову распределение интенсивности.

Пример конкретного выполнения. Эксперименты выполнения. Эксперименты проводились на волноводном CO₂- лазере с длиной волновода 288 мм и сечением 3 • 3 мм². Волноводный разрядный канал лазера был образован потенциальным электродом из алюминиевого сплава, отполированным с оптическим качеством, двумя полированными пластинами из керамики АИ - 1 и земляным электродом. Для сопоставления экспериментальных данных использовалось два типа земляных электродов: штатный, из алюминиевого сплава с тщательной полировкой рабочей поверхности волновода, и электрод с рабочей поверхностью в виде мелкоячеистой сетки из нержавеющей стали (диаметр проволоки 0,03 мм, шаг 0,02 мм), закрывающей полость для размещения стабилизатора газового состава. Лазер комплектовался плоскими зеркалами с диэлектрическим покрытием: выходное зеркало с коэффициентом отражения ~90% было выполнено на подложке из селенида цинка, коэффициент отражения глухого зеркала на подложке из молибдена превышал 99%. Накачка лазера осуществлялась от ВЧ-генератора с рабочей частотой 81,36 мГц. Использовалась рабочая смесь CO₂:N₂:He:Xe = 1:1:5:0,3 при давлении 80 мм рт.ст..

Со штатным земляным электродом мощность генерации лазера составила 11 Вт. При наложении на полированную поверхность электрода мелкоячеистой сетки из нержавеющей стали выходная мощность лазера снизилась до 9,7 Вт, т.е. на ~ 12%. После установки земляного электрода с мелкоячеистой сеткой, закрывающей полость со стабилизатором газового состава (использовалась платина, нанесенная на селикагель), мощность генерации лазера повысилась ~на 21% и составила 11,7 Вт. Таким образом, выходная мощность предложенного лазера и соответственно его удельный энергосъем повысились на ~ 6,4%.

В процессе прямых испытаний приборов на долговечность осуществлялся постоянный контроль уровня мощности излучения, а также динамики изменения парциальных давлений основных компонент рабочей смеси. Анализ газовой смеси, проведенный до и после испытаний, показал, что стабилизатор газового состава обеспечивает сохранение исходной равновесной степени диссоциации CO₂ в течение длительного времени. Реальная долговечность отпаянного волноводного CO₂-лазера предложенной конструкции возросла до 3000 ч и более. Таким образом, в предложенном устройстве время, в течение которого мощность излучения снижается вдвое, увеличивается по сравнению с лазером со штатным земляным электродом более чем в 10 раз.

Проверялась также работа лазера по п. 6 формулы. При использовании штатного земляного электрода с полированной рабочей поверхностью наблюдалось изменение модового состава генерации лазера на начальной стадии работы (в течение 20 - 30 мин). Замена штатного земляного электрода на электрод с перфорированной по краям рабочей поверхностью (ширина щелей вдоль электрода ~ 0,1 мм) позволила стабилизировать модовый состав без заметного уменьшения мощности генерации лазера.

По своим функциональным параметрам предложенное устройство может найти широкое применение при экологическом мониторинге окружающей среды, в системах лазерной локации, технологии и медицине.

По результатам работ у нас, в ФНЦ НИИКИ ОЭП ВНЦ "ГОИ им С.И.Вавилова" разработан макетный образец волноводного CO₂-лазера для использования в области лазерной хирургии и косметологии, который успешно прошел испытания. В настоящее время ведется конструктивная проработка изделия для мелкосерийного производства.

Использование: в системах лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации, а также лазерных технологических установках для высокоточной обработки материалов, и в медицинской технике. Газовый лазер содержит источник накачки, заполненный рабочей смесью корпус, размещенный в нем разрядный канал, образованный электродами, зеркала оптического резонатора и стабилизатор газового состава. Стабилизатор газового состава размещен под рабочей поверхностью по меньшей мере одного из электродов, которая выполнена газопроницаемой. Технический эффект предложенного газового лазера заключается в повышении удельного энергосъема и долговечности. 1 с. и з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Газовый лазер, включающий источник накачки, заполненный рабочей смесью корпус, размещенный в нем волноводный разрядный канал, образованный электродами, зеркала оптического резонатора и стабилизатор газового состава, отличающийся тем, что стабилизатор газового состава размещен под рабочей поверхностью по меньшей мере одного из электродов, при этом рабочая поверхность электрода, под которой размещен стабилизатор газового состава, выполнена газопроницаемой. 2. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что источник накачки выполнен высокочастотным. 3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочая поверхность электрода, под которой размещен стабилизатор газового состава, выполнена сетчатой. 4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что рабочая поверхность электрода, под которой размещен стабилизатор газового состава, выполнена перфорированной по краям вдоль электрода.