ЛАЗЕР НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2001 года по МПК H01S3/227 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при конструировании лазеров, принцип действия которых основан на применении паров химических элементов.

Известен лазер на парах кадмия, содержащий наполненную гелием и закрытую на торцах окнами оболочку, внутри которой расположены подключенные к источнику питания анод и катод, коаксиальные разрядный капилляр и приваренные к нему испаритель и конденсор, внутри последних установлены металлические диафрагмы (см. авт. свид. СССР N 392879, кл. H 01 S 3/22, опубл.). Лазер работает в режиме с переключающейся полярностью электродов, поэтому испаритель и конденсор выполнены идентично. Диафрагмы способствуют лучшему удержанию паров химического элемента от попадания их на катод и оптические элементы, что позволяет экономить рабочее вещество. Оседание химического элемента на оптике приводит к увеличению потерь на ней, попадание химического элемента на катод приводит к его деградации, увеличивает жестчение инертного газа и, в конечном счете, это ведет к изменению уровня мощности лазерного излучения. Конденсация паров химического элемента вблизи катода, т.е. в области концентрированной плазмы, также усиливает жестчение инертного газа. Таким образом, плохое удержание паров в конденсоре приводит к нестабильности мощности излучения лазера, а диафрагмирование несколько уменьшает нестабильность.

Недостатком лазера является то, что в нем сохраняется причина нестабильности мощности излучения лазера, вызванная жестчением инертного газа в зоне конденсации и потерями на оптике.

Кроме того, нестабильность мощности излучения, связана с изменением температуры окружающей среды, в результате чего изменяется температура испарителя в пределах, выходящих за рамки возможностей системы регулирования источника питания (особенно в режиме с переключающейся полярностью электродов), и возможностей излучателя.

Известен лазер на парах химических элементов, содержащий наполненную инертным газом и закрытую по торцам окнами оболочку, внутри которой расположены катод, анод, разрядный капилляр, испаритель и конденсор, выполненный из двух последовательно расположенных камер между разрядным капилляром и катодом (см. патент СССР N 626461, кл. H 01 S 3/22, опубл. 24.08.78 г.). Наличие двух камер делает эффективным процесс удержания паров от попадания на катод.

Недостатком лазера является нестабильность его мощности излучения, связанная с жестчением газа и недостаточной защитой окон от попадания паров. Известен лазер, содержащий наполненную инертным газом и закрытую по торцам окнами стеклянную оболочку, внутри которого расположены подключенные к источнику питания катод и анод, установленные в отдельных колбах разрядный капилляр, расположенный со стороны анода испаритель и расположенный перед катодом конденсор, выполненный в виде колбы, внутри которой установлен дополнительный разрядный капилляр. На боковой поверхности капилляра выполнены сквозные прорези, позволяющие проникать сквозь них парам химического элемента и непозволяющие проникать сквозь них плазме газового разряда (см. пат. США 4103253, кл. 331-94.5, опубл. 25.07.78 г.).

Такая конструкция конденсора защищает катод от паров химического элемента и осуществляет сепарацию компонентов плазмы: ионов инертного газа и паров химических элементов. При этом дополнительный разрядный капилляр, имеющий относительно оболочки конденсора сравнительно небольшой диаметр, разогревается до температуры, при которой конденсация паров на его поверхности, т. е. вблизи плазмы разряда, невозможна и тем исключается возможность жестчения инертного газа и обеспечивается долговечность лазера.

Недостатком лазера является то, что конденсор установлен несоосно основному разрядному капилляру и не защищает оптические элементы от попадания на них паров. Кроме того, частично конденсация паров происходит вблизи оконного патрубка, т. е. в области плазмы газового разряда, что приводит к жестчению инертного газа, поэтому лазер не обеспечивает достаточно высокого уровня долговечности и соответственно долговременной стабильности.

Известен лазер, содержащий наполненную инертным газом и закрытую на торцах окнами оболочку, внутри которой расположены коаксиальные разрядный капилляр, конденсор и испаритель, анод и катод размещены в отдельных колбах. Внутри испарителя расположена часть разрядного капилляра, обеспечивающего самопрогревный режим работы лазера (см. США N 3748595, кл. 331-94.5 от 24.07.73 г. ). Известный лазер обладает повышенной стабильностью давления паров химического элемента и обеспечивает связанную с ним некоторую стабильность мощности излучения лазера.

Недостатком известного лазера является все же относительно низкий уровень стабильности мощности излучения из-за жестчения инертного газа в конденсоре и на катоде и недостаточной защиты оптики от попадания паров.

Наиболее близким устройством лазера к заявленному по совокупности признаков является лазер на парах химических элементов, содержащий наполненную инертным газом оболочку, закрытую на торцах зеркалами, внутри которой расположены катод и анод, коаксиальные разрядный капилляр, испаритель химического элемента, установленный с анодной стороны разрядного капилляра, и конденсор, которым служит часть внутренней поверхности оболочки генератор инертного газа в виде ампулы, стабилизатор тока разряда, подключенный к электродам, и стабилизатор давления паров химического элемента, содержащий систему управления напряжением на подогревателе, расположенном вокруг испарителя паров химического элемента и меняющимся при изменении температуры окружающей среды (см. заявка ФРГ N 2828143, кл. H 01 S 3/03, опубл. 27.06.78 г., прототип). В этом лазере оболочка является одновременно корпусом излучателя. Коаксиальное расположение элементов конструкции обеспечивает высокий уровень технологичности лазера, при этом относительно большой объем излучателя и генератор инертного газа дают возможность достичь большой долговечности прибора, но стабильность мощности излучения лазера недостаточно высокая.

К причинам, препятствующим достижению требуемого уровня стабильности мощности излучения лазера, относится то, что в нем конструкция конденсора не исключает жестчение инертного газа при конденсации паров, т.к. конденсация происходит в условиях плазмы разряда. Кроме того, пары проникают в область катода и на поверхность катода, т.е. в область концентрированной плазмы, при этом имеет место разрушающее воздействие паров на материал катода и выход его из строя. В этом лазере существенна зависимость мощности излучения лазера от температуры окружающей среды, приводящей к разъюстировке оптического резонатора и изменению режима работы лазера.

В результате лазер не обеспечивает высокой долговременной стабильности мощности излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание лазера с высоким уровнем долговременной стабильности мощности излучения в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды.

Технический результат будет получен за счет уменьшения жестчения инертного газа, исключения влияния паров химического элемента на катод и оптические элементы, стабилизации температуры поверхности оболочки и испарителя, а также локализации химического элемента в области испарителя.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном лазере на парах химических элементов, содержащем наполненную инертным газом оболочку, герметично закрытую на торцах зеркалами, внутри которой расположены катод, анод, коаксиальные основной разрядный капилляр, испаритель химического элемента, установленный со стороны анода, и конденсор, которым служит часть внутренней поверхности оболочки, стабилизатор тока разряда, подключенный к электродам, и стабилизатор давления паров химического элемента в оболочку, внутренняя поверхность которой служит конденсором, введена со стороны катода ловушка-сепаратор паров химического элемента, выполненная в виде закрепленной герметично на оболочке и торце основного разрядного капилляра, соосно ему, диэлектрической трубки, на боковой поверхности которой изготовлены отверстия, закрытые с внешней стороны металлической сеткой, внутри трубки установлены дополнительные разрядные капилляры, соединенные с одного конца с ее внутренней поверхностью, образуя камеры, в которых отношение суммарной площади отверстий, приходящихся на одну камеру к площади сечения дополнительного разрядного капилляра не менее двух, а площадь каждого бокового отверстия диэлектрической трубки соизмерима с площадью сечения дополнительного разрядного капилляра, при этом испаритель химического элемента выполнен в виде цилиндрической камеры, герметично соединенной с торцом основного разрядного капилляра, внутри которой установлен соосно основному разрядному капилляру вспомогательный разрядный капилляр, герметично соединенный с оболочкой лазера со стороны анода, а стабилизатор давления паров химического элемента имеет вид жидкостной термостатирующей рубашки.

Кроме того, цилиндрическая камера испарителя химического элемента изготовлена с выпуклой кольцевой гофрой, в полости которой размещен химический элемент.

Жидкостная термостатирующая рубашка стабилизатора давления паров химического элемента представляет собой герметичный корпус, частично заполненный жидкостью, площадь внутренних стенок которого больше как минимум в два раза площади стенок корпуса, контактирующих с жидкостью, покрывающей оболочку лазера.

Также, в качестве жидкости стабилизатора давления паров используется вода или спирт, химическим элементом служит кадмий, а в качестве инертного газа выбран гелий.

Ловушка-сепаратор разделяет область плазмы разряда и поверхность конденсации паров, в результате чего жестчение инертного газа при конденсации паров, а также связанное с этим отравление катода практически исчезают, что обеспечивает длительную стабильность мощности излучения лазера. Ловушка-сепаратор обеспечивает также защиту одного из зеркал лазера, что также увеличивает долговременную стабильность мощности излучения. Жидкостная термостатирующая рубашка обеспечивает стабильность температуры оболочки лазера на уровне кипения жидкости (например, 100^oC - вода), что дает возможность стабилизировать оптический резонатор лазера и как результат исключается разъюстировка лазера даже при изменении температуры окружающей среды в широком диапазоне, а это в свою очередь обеспечивает долговременную стабильность мощности излучения.

Испаритель при условии стабильного тока и наличии термостатирующей рубашки осуществляет поддержание постоянной температуры на его поверхности, а гофрирование дает независимость оптимального значения этой температуры от места расположения химического элемента внутри испарителя и тем самым обеспечивает долговременную стабильность давления паров в режиме самопрогрева, а следовательно, и долговременную стабильность мощности излучения лазера.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявление изобретения соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Дополнительный поиск известных решений показывает, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлены признаки, обеспечивающие высокий уровень долговременной стабильности мощности излучения в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 изображена конструкция лазера на парах химического элемента.

На фиг. 2 показан вариант выполнения жидкостной термостатирующей рубашки.

Лазер содержит оболочку 1, закрытую на торцах зеркалами 2 и 2'. Внутри оболочки размещены катод 3, анод 4, основной разрядный капилляр 5, с катодной стороны которого расположена ловушка-сепаратор 6, а с анодной стороны установлен испаритель 7. Оболочку лазера охватывает термостатирующая рубашка 8, заполненная жидкостью 9, например водой. Внутри испарителя 7 размещены кусочки химического элемента 10, например кадмия, цинка. Ловушка-сепаратор 6 выполнена в виде диэлектрической цилиндрической трубки 11, внутри которой приварено несколько дополнительных разрядных капилляров 12, между которыми образованы изолированные друг от друга камеры 13. На поверхности цилиндрической трубки выполнены отверстия 14, с помощью которых камеры 13 сообщаются с областью конденсации 15 паров химического элемента на внутренней поверхности оболочки 1, при этом отверстия 14 с внешней стороны закрыты металлической сеткой 16. Испаритель 7 выполнен в виде цилиндрической камеры 17, внутри которой со стороны анода 4 соосно основному разрядному капилляру 5 помещен вспомогательный разрядный капилляр 18. На цилиндрической поверхности испарителя может быть выполнена кольцевая гофра 19.

Как видно из фиг. 1, жидкостная термостатирующая рубашка 8 может быть выполнена в виде охватывающей оболочку лазера, цилиндрической трубки 20, которая герметично соединена с ней на участках 21, 21'. На рубашке 8 выполнены два патрубка 22, 22', соединенные между собой через охладитель 23.

Другой вариант исполнения термостатирующей рубашки (фиг. 2) представлен в виде корпуса 24, внутри которого герметично закреплена оболочка лазера 1. Корпус 24 частично заполнен жидкостью, покрывающей оболочку.

Устройство работает следующим образом.

При подключении анода 4 и катода 3 к стабилизатору тока возникает разряд. Ток протекает внутри вспомогательного разрядного капилляра 18 испарителя 7, основного разрядного капилляра 5 и дополнительных разрядных капилляров 12 ловушки-сепаратора 6. При этом испаритель 7 нагревается до оптимальной температуры, при которой давление паров химического элемента 10 соответствует максимальной мощности излучения лазера.

Благодаря явлению катафореза пары химического элемента перемещаются в направлении от анода 4 к катоду 3 в основном разрядном капилляре 5 и достигают ловушки-сепаратора 6, где вероятность осевого движения паров резко уменьшается. Часть паров направляется через отверстия 14 в объем, ограниченный оболочкой 1. Дополнительные разрядные капилляры 12 нагревают поверхность ловушки-сепаратора 6 до температуры, при которой конденсация паров не происходит и пары свободно проходят через отверстия 14 на оболочку 1, где и конденсируются. При правильно выбранном соотношении между площадью отверстий 14 в камерах 13 и площадью сечения дополнительных разрядных капилляров 12 большая часть паров уходит через отверстия 14. Например, при диаметре дополнительных капилляров 2 мм и при суммарной площади отверстий 15 мм² в объем второй камеры 13 проникает лишь 20% атомов химического элемента. Последовательно расположенные камеры позволяют довести вероятность проникновения паров до величины < < 1%, что обеспечивает достаточную защиту катода 3 и оптики 2 от их воздействия.

Наличие паров в объеме между отверстиями 14 и оболочкой 1 делает возможным возникновение разряда, минуя дополнительные разрядные капилляры 12, по обводному пути, т.е. снаружи ловушки-сепаратора, что может отрицательно сказываться на работе лазера. Чтобы этого не произошло ловушка-сепаратор 6 армируется металлической сеткой 16, которая создает бесполевое пространство между камерами 13, снаружи ловушки-сепаратора 6, предотвращая тем самым возникновение разряда по обводному пути. Для предотвращения каскадного зажигания разряда по обводному пути достаточно выбрать материал сетки с большой работой выхода (например Ni).

Таким образом, ловушка-сепаратор 6 отделяет область плазмы разряда от зоны конденсации паров 15, в результате чего инертный буферный газ не жестчится и параметры лазера становятся стабильными в течение длительного времени.

Совершенно очевидно, что чем больше суммарная площадь отверстий 14 в камере по отношению к площади поперечного сечения капилляра, тем эффективнее удержание паров. При соотношении указанных площадей, равным 2, в первом приближении во вторую камеру проникает 30% паров, в третью - 10%, в четвертую - 3%, что является достаточным для длительной работы лазера. Наличие металлической сетки делает возможным увеличить площадь отверстий 14 в несколько раз и соответственно уменьшить проникновение паров к катоду и оптическим элементам до величины, много меньшей 1%.

Например, при работе лазера в течение 200 ч оболочка изнутри покрыта серым налетом кадмия, а в области катода наблюдаются лишь его слабые следы.

Основной разрядный капилляр 5 нагревает оболочку 1 лазера до температуры, величина которой определяется мощностью разряда, диаметром оболочки 1 и температурой окружающей среды.

Например, при диаметре основного разрядного капилляра 5 1,4 мм, токе 50 мА и диаметре оболочки 44 мм температура оболочки превышает 100^oC. Поэтому, помещая оболочку 1 в водяную рубашку 8, легко достичь кипения жидкости в режиме самопрогрева. Пары воды охлаждаются в охладителе 23 и возвращаются в рубашку 8, таким образом, обеспечивается непрерывная циркуляция воды, а температура оболочки остается постоянной, равной 100^oC, что позволяет обеспечить, во-первых, высокую стабильность оптического резонатора и независимость качества излучателя от температуры окружающей среды, т.е. лазер становится стабильным.

Во-вторых, постоянная температура оболочки 1 создает стабильные условия на поверхности испарителя 7 при условии поддержания стабильным ток разряда. Действительно, во вспомогательном разрядном капилляре 18 разряд горит практически в чистом инертном газе, т.к. из-за катафореза пары химического элемента проникают в него лишь на незначительную длину. Поэтому мощность, вводимая в испаритель 7, поддерживается на определенном заданном уровне и задает в той же степени определенную температуру поверхности испарителя. При правильном выборе диаметра испарителя 7, диаметра вспомогательного разрядного капилляра 18 и тока разряда можно добиться оптимальных режимов работы лазера в самопрогревном режиме, обеспечив при этом его высокую стабильность.

При цилиндрической форме испарителя 7 осуществляется некоторая зависимость оптимальной температуры испарителя от места расположения химического элемента в соответствии с тем, что поток атомов определяется законом газовой динамики, а именно поток обратно пропорционален длине пути, который проходят атомы. Поэтому при длительной эксплуатации лазера требуется некоторая корректировка температуры испарителя 7 за счет тока разряда.

Для исключения этого достаточно локализовать химический элемент, производя гофрирование поверхности испарителя. Выпуклая поверхность гофры имеет наименьшую температуру и определяет величину потока атомов химических элементов.

В процессе эксплуатации лазера происходит постоянное перераспределение химического элемента, расположенного на других участках испарителя 7, имеющих различную температуру. Температура в первом приближении обратно пропорциональна диаметру испарителя. Если химический элемент размещен в полости гофры и на участках испарителя, удаленных от гофры в направлении анода, то при длительной эксплуатации лазера происходит непрерывное пополнение гофры химическим элементом, а оптимальная температура испарителя, обеспечивающая максимальную мощность излучения лазера не изменяется, что обеспечивает стабильность мощности излучения в процессе эксплуатации.

Обязательным условием стабильной работы лазера является достижение режима кипения жидкости. Такой режим наиболее прост в естественных условиях и достигается уменьшением диаметра оболочки и увеличением мощности, потребляемой лазером.

Избыток энергии рассеивается вне термостатирующей рубашки известными охлаждающими устройствами. Однако уменьшение диаметра оболочки лазера противоречит требованию обеспечить необходимый запас инертного газа для увеличения долговечности лазера, а увеличение потребляемой мощности, например, при увеличении тока может сделать неоптимальной мощность излучения лазера. Очевидно, что необходимо обеспечить режим кипения в широком диапазоне тока разряда и температуры окружающей среды. С этой целью термостатирующая рубашка 8 может быть выполнена в виде корпуса 24, частично заполненного жидкостью, в которую помещается оболочка 1 лазера. Площадь внутренней поверхности стенок корпуса больше площади поверхности стенок корпуса, контактирующих с жидкостью, в 2-3 раза. Жидкость вокруг оболочки 1 быстро достигает температуры кипения и выходящий с поверхности жидкости пар охлаждается в конечном счете на стенках свободных от жидкости корпуса 24. Если площадь внутренней поверхности всех стенок корпуса больше поверхности, контактирующей с жидкостью, как минимум в 2 раза, то при изменении температуры окружающей среды в пределах 30^o режим кипения и конденсации сохраняется, а лазер остается стабильным, т. е. не разъюстируется оптический резонатор и не изменяется температура испарителя.

Приводим пример конкретного выполнения лазера на парах химических элементов.

Диаметр основного разрядного капилляра 1,42 мм, длина 300 мм, наполнение - гелий, давление 7 мм рт.ст. Диаметр испарителя 13 мм, диаметр гофры 15 мм, диаметр оболочки лазера 42 мм. При токе 60 мА наступал режим самопрогрева. Термостатическая рубашка выполнена из стеклянной или металлической трубки диаметром 50 мм, заполненной водой. Режим кипения наступал через 15 мин после включения. Мощность генерации 20 мВт. Длина волны излучения λ = 0,44 мкм, уровень долговременной стабильности может быть доведен до 5%. Разъюстировка резонатора в пределах точности измерения уровня мощности излучения лазера не наблюдалась, при изменении тока разряда от 40 до 65 мА. Через 200 ч работы прибора внутренняя поверхность оболочки покрыта налетом кадмия, в катодной камере и за пределами ловушки-сепаратора виден лишь слабый след напыления.

В качестве источника питания использовался стандартный источник ИП-17 от He-Ne лазера типа ЛГ-75.

Следует отметить, что конструкция лазера и технология его изготовления максимально приближена к конструкции He-Ne лазера и имеет относительно низкую себестоимость.

Таким образом, вышеизложенные сведения показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке лазеров на парах химических элементов. В конструкции лазера, выполненного на основе коаксиально расположенных элементов, введена ловушка-сепаратор. Она позволяет отделить область конденсации паров от плазмы разряда, увеличить эффективность удержания паров от попадания в область катода и оптических элементов и одновременно исключить жестчение буферного газа. В конструкции лазера вокруг оболочки введена термостатирующая жидкостная рубашка и реализован режим кипения жидкости. Технический результат изобретения: предложенная конструкция лазера обеспечивает высокую долговременную стабильность и ее независимость от температуры окружающей среды в широком диапазоне температур. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Лазер на парах химических элементов, содержащий наполненную инертным газом оболочку, герметично закрытую на торцах зеркалами, внутри которой расположены катод, анод, коаксиальные основной разрядный капилляр, испаритель химического элемента, установленный со стороны анода, и конденсор, которым служит часть внутренней поверхности оболочки, стабилизатор тока разряда, подключенный к электродам, и стабилизатор давления паров химического элемента, отличающийся тем, что в оболочку, внутренняя поверхность которой служит конденсором, введена со стороны катода ловушка-сепаратор паров химического элемента, выполненная в виде закрепленной герметично на оболочке и торце основного разрядного капилляра соосно ему, диэлектрической трубки, на боковой поверхности которой изготовлены отверстия, закрытые с внешней стороны металлической сеткой, внутри трубки установлены дополнительные разрядные капилляры, соединенные с одного конца с ее внутренней поверхностью, образуя камеры, в которых отношение суммарной площади отверстий, приходящихся на одну камеру, к площади сечения дополнительного разрядного капилляра не менее двух, а площадь каждого бокового отверстия диэлектрической трубки соизмерима с площадью сечения дополнительного разрядного капилляра, при этом испаритель химического элемента выполнен в виде цилиндрической камеры, герметично соединенной с торцом основного разрядного капилляра, внутри которой установлен соосно основному вспомогательный разрядный капилляр, герметично соединенный с оболочкой лазера со стороны анода, а стабилизатор давления паров химического элемента имеет вид жидкостной термостатирующей рубашки. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что цилиндрическая камера испарителя химического элемента изготовлена с выпуклой кольцевой гофрой, в полости которой размещен химический элемент. 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что жидкостная термостатирующая рубашка стабилизатора давления паров химического элемента представляет собой герметичный корпус, частично заполненный жидкостью, площадь внутренних стенок которого больше как минимум в два раза площади стенок корпуса, контактирующих с жидкостью, покрывающей оболочку лазера. 4. Лазер по п.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости стабилизатора давления паров используется вода или спирт, химическим элементом служит кадмий, а в качестве инертного газа выбран гелий.