ЛАЗЕР НА ПАРАХ МЕТАЛЛА Российский патент 2000 года по МПК H01S3/227 H01S3/02 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при изготовлении стабильных по мощности излучения лазеров на парах металлов, например гелий-кадмиевых лазеров.

Гелий-кадмиевые лазеры непрерывного действия получили наибольшее распространение среди лазеров непрерывного действия на парах металлов, так как эти приборы генерируют в фиолетовой и ультрафиолетовой области спектра на длинах волн, удобных для записи информации на фоточувствительные материалы, включая фоторезист.

Известна биполярная конструкция гелий-кадмиевого лазера, в которой электроды на концах разрядной трубки симметричны и могут попеременно играть роль то холодного катода, то анода при переключении полярности источника питания (см. Пат. США N 3798486, кл. 313-220, опубл. 19.03.74 г.).

Резервуар с испаряемым кадмием в такой конструкции не защищен от воздействия внешней среды (хаотические внешние потоки), что приводит к нестабильности работы лазера.

Известна также конструкция разрядной трубки лазера на парах металла, состоящая из стеклянной оболочки и расположенного в ней коаксиально капилляра, окруженного с одной стороны цилиндрическим катодом. Противоположная часть капилляра введена в резервуар, содержащий активное вещество лазера - металл, например кадмий (см. Пат. США N 4210876, кл. 331-945, опубл. 1.07.80 г.).

В этой конструкции разрядный капилляр защищен от внешних воздействий оболочкой, однако наиболее чувствительный к внешним воздействиям узел - испаритель металла не защищен от внешних воздействий, что приводит к нестабильности мощности выходного излучения.

Промышленные образцы зарубежных гелий-кадмиевых лазеров построены на основе держателя оптики, выполненного из стержней (см. Япония, фирма Kimmon, модели серии 1K4101R-F; 1K41711G; США, фирма Liconix, модель 4660NE). К обоим концам стержней крепятся фланцы, к которым, в свою очередь, крепятся зеркала резонатора лазера. Такая конструкция излучателя лазера весьма громоздка, трудоемка и дорогостояща. Кроме того, вследствие большой массы держателя оптики требуется значительное время для установления теплового режима работы, а следовательно, стабильности выходных характеристик излучения и прежде всего стабильности мощности излучения.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является лазер на парах металла, содержащий стеклянную оболочку, герметично закрытую на торцах фланцами с зеркалами, внутри которой расположены коаксиальный разрядный канал, катод, анод и установленный с его стороны резервуар с испаряемым металлом, нагревательный элемент. В устройстве внешняя стенка резервуара с металлом является частью оболочки лазера. Вокруг участка оболочки (резервуара с металлом) намотан контактный нагреватель (см. Пат. США N 4187474, кл. 331-945, опубл. 5.02.80 г. ), принято за прототип.

Недостатком такой конструкции, препятствующим реализации стабильной работы прибора, является то, что в известном устройстве внешний подогрев одного из участков оболочки может привести к разъюстировке зеркал резонатора, что не позволяет использовать эту оболочку как стабильный держатель оптики. Переменные внешние потоки воздействуют непосредственно на нагреватель, что приводит к нестабильной работе лазера, т.к. от температуры стенки резервуара резко зависит концентрация паров металла в разряде, а следовательно, и стабильность мощности выходного излучения лазера. Кроме того, на нагрев незащищенного резервуара с металлом требуются дополнительные энергетические затраты.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи создания недорогого, высокостабильного по мощности излучения лазера на парах металла.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, выражается в устранении воздействия переменных внешних потоков непосредственно на нагревательный элемент, разогревающий металл в резервуаре, и, как следствие, в достижении возможности крепления зеркал непосредственно к оболочке разрядной трубки. Кроме того, снижается величина энергии, необходимой для разогрева металла, т.е. снижаются энергетические затраты.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в лазере на парах металла, содержащем наполненную инертным газом стеклянную оболочку, герметично закрытую на торцах фланцами с зеркалами, внутри которой расположены коаксиальный разрядный канал, катод, анод и установленный с его стороны резервуар с испаряемым металлом, нагревательный элемент, нагревательный элемент расположен внутри герметичной оболочки с зазорами относительно стенок резервуара и стенок оболочки, а катод выполнен в виде цилиндра и установлен коаксиально разрядному каналу, конец которого со стороны, противоположной аноду, размещен в конденсаторе, причем зеркала закреплены в юстировочных втулках.

Кроме того, в качестве инертного газа выбран гелий, а металлом служит кадмий или селен.

В предложенном лазере нагревательный элемент расположен непосредственно вблизи резервуара, в котором находится металл, и защищен от переменных внешних потоков оболочкой лазера. Наличие зазора между нагревательным элементом и оболочкой позволяет выбрать достаточно большим диаметр внешней оболочки лазера и использовать ее в качестве держателя оптики резонатора лазера, обеспечив при этом высокую стабильность работы. Чем больше диаметр оболочки, тем больше запас газа внутри нее и меньше угловая разъюстировка зеркал резонатора при заданном изменении длины стенки оболочки, происходящая при изменении температуры окружающей среды. Следовательно, стабильность работы лазера повышается при увеличении диаметра оболочки. В предлагаемой конструкции лазера увеличение диаметра оболочки не приводит к необходимости увеличения энергии для нагрева металла и к локальному перегреву участка оболочки, т.к. нагревается только резервуар с металлом, расположенный внутри оболочки. Вследствие того, что резервуар с металлом не является частью несущей конструкции держателя оптики, объем его, который определяется диаметром резервуара, может быть небольшим, что позволяет снизить энергетические затраты на подогрев металла.

Проведенный заявителем анализ уровня техники показал, что обнаружен аналог, характеризующийся отличительными признаками. А выбранный прототип позволил выявить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна".

Дополнительный анализ источников информации показал, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлен лазер на парах металла, в котором высокая стабильность работы достигалась бы за счет расположения резервуара с металлом и нагревателя внутри герметичной оболочки с разрезами относительно ее стенок и стенок резервуара с металлом.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На чертежах представлена конструкция лазера на парах металла, где
на фиг.1 показан общий вид конструкции лазера на парах металла в разрезе,
на фиг.2 представлен в увеличенном виде фрагмент конструкции лазера, где изображены резервуар с металлом и нагревательный элемент.

Приводим сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Лазер содержит оболочку 1, внутри которой коаксиально ей расположен разрядный канал 2, представляющий собой капилляр из стекла. Между капилляром 2 и оболочкой 1 коаксиально расположен холодный катод 3, выполненный в виде полого цилиндра. Резервуар 4 с испаряемым металлом, например кадмием, выполнен в виде стеклянного цилиндра и расположен внутри оболочки 1. Конденсор 5 представляет собой ловушку из стекла цилиндрического типа, в которую входит конец капилляра 2.

Нагревательный элемент 6 представляет собой цилиндрическую проволочную катушку из нихрома. Анод 7 расположен у фланца 8 вблизи резервуара 4 с испаряемым металлом. Оболочка 1 с обеих сторон герметизирована металлическими фланцами 8, имеющими юстировочные втулки 9, на концах которых закреплены зеркала 10 резонатора. Отметим, что между внешней стенкой конденсора 5 и оболочкой 1 имеется зазор 11. Цилиндр из кварцевого стекла 12, на который намотан нагревательный элемент 6, закреплен коаксиально резервуару с металлом 4, причем между цилиндром 12 и оболочкой 1 имеется большой зазор 13. Пространство внутри оболочки 1, в том числе и зазор 13, наполнено инертным газом, например гелием при низком давлении, а в резервуар 4 - испаритель помещается металл, например кадмий. Между цилиндром 12 из кварцевого стекла и резервуаром с металлом 4 имеется небольшой технологический зазор 14.

Лазер работает следующим образом. Между катодом 3 и анодом 7 возбуждается тлеющий электрический разряд при оптимальном рабочем токе. Металл, расположенный в резервуаре 4, нагревают с помощью нагревателя 6 до температуры, соответствующей оптимальной концентрации паров кадмия в электрическом разряде. В плазме положительного столба разряда металл ионизируется и вследствие явления катафореза ионы металла движутся к катоду 3 и равномерно распределяются вдоль капилляра разрядного канала 2. Пройдя через разрядный канал 2, металл осаждается в конденсоре 5. В процессе работы лазера стенки конденсора 5, на которых осаждается кадмий, разогреваются за счет тепла, выделяемого при прохождении тока разряда через капилляр, входящий в конденсор 5. Нагрев конденсора происходит за счет конвенционных потоков от расположенного рядом полого цилиндрического катода, который равномерно разогревается за счет ионной бомбардировки в процессе работы. Так как катод выполнен в виде полого цилиндра и расположен коаксиально с оболочкой лазера, то тепло, выделяемое за счет ионной бомбардировки, равномерно распределяется вокруг оболочки, не создавая локального перегрева как в случае использования точечного накаленного катода, используемого, например, в прототипе. Благодаря наличию зазора 11 между стенками конденсора и оболочкой 1 температура стенки конденсора поддерживается достаточно высокой, чтобы не происходило явление захвата осаждающимся металлом атомов гелия.

Изменяющиеся внешние потоки воздуха в пределах рабочих температур лазера не влияют непосредственно на нагревательный элемент 6 благодаря наличию зазора 13 между нагревательным элементом и оболочкой 1, что обеспечивает лазеру стабильность в работе. Поскольку нагревательный элемент разогревает не участки оболочки (как в прототипе), а непосредственно небольшой резервуар 4 с металлом, который в значительной мере разогревается за счет тока разряда лазера, а оболочка играет роль теплоизоляции, энергия, необходимая для создания рабочей концентрации паров металла, весьма низка, что увеличивает коэффициент полезного действия лазера и удешевляет его.

Лазерное излучение усиливается, проходя вдоль разрядного канала 2, и отражается от зеркал 10, съюстированных путем пластической деформации юстировочных втулок 9. Такая конструкция позволяет отказаться от традиционного держателя оптики на инваровых стержнях, что приводит к удешевлению лазера в целом. Предлагаемое изобретение можно использовать при производстве лазеров непрерывного действия на парах металлов, например гелий-кадмиевого лазера. При этом себестоимость лазера будет низкой, т.к. зеркала резонатора закреплены непосредственно к оболочке разрядной трубки, а лазер в целом будет высокостабильным, т.к. резервуар с металлом и нагревательный элемент защищены от внешних воздействий оболочкой.

Приводим пример, доказывающий возможность конкретной реализации предлагаемого лазера на парах металла.

Оболочка, резервуар с металлом, конденсор выполнены из стекла С52-1, а разрядный канал - из тугоплавкого химически стойкого стекла С48-3. В резервуар загружен естественный кадмий или четный изотоп кадмия, например, Cd¹¹² в количестве до 10 г, а оболочка заполняется гелием при давлении от 3 до 8 мм рт.ст. Внутренний диаметр разрядного канала составляет величину от 1,3 до 2,2 мм. Диаметр оболочки выбран в пределах от 35 до 70 мм. Длина оболочки составляет величину от 300 до 1700 мм. Катод 3 выполнен в виде полого цилиндра диаметром до 45 мм из металлической фольги толщиной 0,05 - 0,1 мм. Зазоры между резервуаром с кадмием и оболочкой, а также между конденсором и оболочкой составляют не менее 10 мм. Юстировочные втулки, к которым герметично крепятся зеркала резонатора, выполнены из сплава 42HA-ВИ (ГОСТ 10994-74).

Величина тока разряда лежит в пределах от 50 до 120 мА в зависимости от диаметра разрядного канала. Средняя мощность выходного излучения составляет от 5 до 250 мВт на длине волны генерации 441,6 нм и от 1 до 80 мВт на длине волны 325,0 нм. Относительная нестабильность мощности излучения не превышает 2-5%, несмотря на отсутствие инварового держателя оптики.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве лазеров непрерывного действия на парах металлов. Лазер содержит стеклянную оболочку, герметично закрытую на торцах фланцами с закрепленными в них втулками с зеркалами. Поскольку нагревательный элемент и резервуар с металлом находятся внутри оболочки, защищающей испаритель металла от воздействий переменных внешних потоков, то появляется возможность использовать оболочку в качестве держателя оптики. Технический результат изобретения состоит в повышении стабильности работы лазера и в сокращении затрат при его изготовлении. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазер на парах металла, содержащий наполненную инертным газом стеклянную оболочку, герметично закрытую на торцах фланцами с зеркалами, внутри которой расположены коаксиальный разрядный канал, катод, анод и установленный с его стороны резервуар с испаряемым металлом, нагревательный элемент, отличающийся тем, что нагревательный элемент расположен внутри герметичной оболочки с зазорами относительно стенок резервуара и стенок оболочки, а катод выполнен в виде цилиндра и установлен коаксиально разрядному каналу, конец которого со стороны, противоположной аноду, размещен в конденсоре, причем зеркала закреплены в юстировочных втулках. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа выбран гелий, а металлом служит кадмий или селен.