АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2004 года по МПК H01S3/227 H01S3/38 H01S3/41 

Изобретение относится к квантовой электронике, лазерам на парах металлов и может быть использовано при разработке лазеров на парах металлов и их соединений, в том числе с большим диаметром рабочего канала, например меди, для целей медицины, микроэлектронных технологий, навигации, научных исследований, зондирования атмосферы и т.д.

Известен активный элемент лазера на парах металлов и их соединений (US № 6175583, опубл 16 января 2001). Активный элемент лазера представляет собой керамический разрядный канал 10, который окружен пористым глиноземным высокотемпературным теплоизолятором 20, который, в свою очередь, помещен в вакуумно-плотный кварцевый корпус 30. Концы вакуумно-плотного кварцевого корпуса 30 содержат концевые элементы 40 и 41, которые удерживают анод 50 и катод 51. Вакуумно-плотный кварцевый корпус окружена слоем теплоизолятора 101, который окружен нагревательным элементом 100, который, в свою очередь, покрыт толстым слоем теплоизолятора 102. Поверхность изолятора 102 покрыта алюминиевой фольгой 105. В промежуток между катодом 51 и теплоизолятором 20 помещены навески из тантала 130. Концевые элементы 40 и 41 имеют входное и выходное отверстия для прокачки газообразной добавки, соединенные с подающей газ системой. Введение специальной газообразной примеси обеспечивает повышение генерационных характеристик лазера. Кроме того, концевые элементы 40 и 41 в своей конструкции содержат выходные окна 60 и 61. Внутри керамического разрядного канала 10 расположены навески рабочего металла 110.

Недостатками активного элемента лазера является то, что для ввода газообразной добавки необходима прокачка газообразной добавки через активную среду лазера, что снижает срок службы, надежность и повышает сложность конструкции активного элемента лазера, использование для введения газообразной добавки специального подводящего канала, усложняющего в целом конструкцию лазера и затрудняющее точный контроль введенной добавки.

Известен активный элемент лазера на парах меди (Chang J.J., Warner В.Е, Boley C.D, Dragon E.P High-power copper vapour lasers and applications // Pulsed Metal Lasers, С.E. Little and N.V Sabotinov editors, 1996, P.101-112). Активный элемент лазера (фиг.1) представляет собой вакуумно-плотный корпус, который внутри содержит электроды, расположенные друг напротив друга и соединенные с источником питания. Рабочий канал расположен между электродами. Отражатель расположен непосредственно по краям рабочего канала. Новшество конструкции заключается во введении в рабочий канал радиальной перегородки, которая делит рабочий канал на две равные части.

Недостатками активного элемента лазера является то, что предложенная конструкция вследствие наличия одного выделенного направления приводит к появлению существенных радиальных неоднородностей параметров плазмы, кроме того, не удается реализовать однородный по сечению газоразрядной трубки разряд без применения дополнительного импульса возбуждения либо использования секционированных электродов.

Известен активный элемент лазера на парах меди (Кирилов А.Е., Полунин Ю.П., Солдатов А.Н. А.С № 711986. Опубл. 30.03 1984, БИ № 12; Солдатов А.Н. Диссертация на соискание степени д.ф.-м.н., Томск, 1998, 355 с.), выбранный в качестве прототипа. Конструкция активного элемента представляет собой вакуумно-плотный корпус 1, оболочку рабочего канала 2, выходные окна 3, рабочие электроды 4, стержень держатель с испарителями рабочего металла 5, набор коаксиально расположенных трубок-держателей с испарителями металла 6 (фиг.2).

Недостатками активного элемента лазера является то, что не удается реализовать однородный по сечению газоразрядной трубки (ГРТ) разряд без применения дополнительного импульса возбуждения, однако даже при зажигании импульсно-периодического разряда во всех секциях активного элемента условия возбуждения в каждой секции будут отличаться друг от друга, что приводит к существенному снижению качества выходного излучения, кроме того, затруднен вынос тепла из центрального рабочего канала, что приводит к его преждевременному перегреву.

Задачей изобретения является повышение частотных и энергетических характеристик лазеров на парах металлов, а также повышение однородности разряда путем создания простого и надежного активного элемента лазера на парах металлов.

Поставленная задача решена за счет того, что в активном элементе лазера на парах металлов, содержащем так же, как и прототип, вакуумно-плотный корпус с выходными окнами на торцах, внутри которого коаксиально размещена трубка из бериллиевой керамики, ограничивающая рабочий канал лазера, с помещенным внутри держателем, по всей длине которого периодично расположены навески-испарители рабочего металла, а также два электрода, согласно изобретению, держатель выполнен в виде цилиндра, расположенного коаксиально с вакуумно-плотным корпусом, с внутренними радиальными ребрами, имеющими высоту от 0,2 до 0,8 радиуса рабочего канала и общую площадь сечения ребер не более 50% площади сечения рабочего канала, между вакуумно-плотным корпусом и цилиндром из бериллиевой керамики размещена теплоизоляция при этом электроды выполнены в виде цилиндрических стаканов, присоединенных к вакуумно-плотному корпусу и заполненных медной стружкой, кроме того, вакуумно-плотный корпус в районе рабочего канала снаружи охвачен тепловой камерой, в которой размещены, по крайней мере, один термодатчик и один вентилятор, электрически связанные с блоком контроля температуры.

Держатель может быть выполнен из корундовой или из бериллиевой керамики.

Тепловая камера может быть выполнена с внутренней продольной перегородкой имеющей отверстия для отвода тепла.

Цилиндрический держатель может быть выполнен из набора шайб, расположенных коаксиально с вакуумно-плотным корпусом.

На фиг.3 изображена зависимость средней температуры газа лазера на парах меди в рабочем канале для ГРТ с цилиндрической геометрией и профилированной поверхностью в зависимости от удельного энерговклада для трех видов распределения по сечению рабочего канала вводимой мощности. Из фиг.3 видно, что для обоих типов ГРТ рост энерговклада приводит к быстрому возрастанию средней температуры газа. Однако имеется различие в поведении населенности основного уровня атома меди на оси ГРТ в зависимости от удельного энерговклада для разных геометрий рабочего канала: при стандартной цилиндрической геометрии наблюдается снижение концентрации атомов меди в основном состоянии S_1/2 при увеличении удельного энерговклада, в то время как для ГРТ с профилированным рабочим каналом наблюдается обратная зависимость - концентрация атомов меди в основном состоянии повышается при увеличении вводимой в единицу объема энергии. Это происходит вследствие того, что увеличение концентрации атомов меди в активной среде лазера при возрастании удельного энерговклада для ГРТ с профилированным рабочим каналом происходит значительно быстрее по сравнению с ГРТ цилиндрической конструкции, при этом температура газа на оси ГРТ цилиндрической формы при увеличении энерговклада возрастает быстрее, чем для ГРТ с профилированным рабочим каналом. Т.е. температура на оси ГРТ растет быстрее для случая цилиндрического рабочего канала. Таким образом, введение радиальных вставок приводит к замедлению роста температуры газа на оси ГРТ при увеличении удельного энерговклада.

Радиальные распределения температуры газа в рабочем канале и концентрации меди в основном состоянии показаны на фиг.4 (а-б). Видно, что для ГРТ с профилированным рабочим каналом степень неоднородности концентрации атомов меди в основном состоянии по сравнению с ГРТ цилиндрической геометрии значительно меньше. При уровне удельной вводимой мощности в 1 Вт/см³ отношение равновесной с температурой стенки концентрации атомов меди в состоянии S_1/2 к концентрации атомов меди на оси для цилиндрической геометрии разрядного канала равно 1,613, в то время как для профилированного рабочего канала только 1,197, т.е. в 1,348 раза больше. При увеличении удельного энерговклада это отношении возрастает. Кроме того, возрастает степень однородности распределения атомов буферного газа по сечению ГРТ, что и приводит к увеличению частоты электрон-атомных столкновений, практически полностью за исключением самых ранних периодов развития разряда, определяющих проводимость плазмы. Это приводит к улучшению согласования активного элемента с разрядным контуром, что повышает эффективность работы устройства. Таким образом, предложенная конструкция активного элемента с профилированным рабочим каналом позволяет создать более однородное радиальное распределение паров металла. Результаты расчета, представленные на фиг.4 (в), иллюстрируют тот факт, что для ГРТ с профилированным рабочим каналом уровень равновесной с температурой газа заселенности метастабильных уровней атома меди значительно меньше, чем для цилиндрической конструкции рабочего канала На фиг 4 (в) представлено изображение радиального распределения концентрации атомов меди в метастабильном состоянии. Для ГРТ с цилиндрической геометрией рабочего канала отношение концентрации атомов меди в метастабильном состоянии на оси к концентрации в пристеночной области равно 19,901, в то время как для ГРТ с профилированным рабочим каналом это отношение равно лишь 3,677, т.е. в 5,412 раза меньше. Данный факт свидетельствует о гораздо более высокой степени радиальной однородности предымпульсной концентрации атомов меди в метастабильном состоянии, что ведет к повышению однородности генерации и качества выходного излучения, являющегося основным преимуществом газовых лазеров по сравнению с твердотельными лазерами.

Рассмотрим влияние на параметры плазмы изменения диффузионной длины при введении радиальных вставок в рабочий канал лазера. Для газоразрядной трубки цилиндрической конструкции диффузионная длина может быть вычислена по следующей формуле:

где r - радиус цилиндра,

L - длина цилиндрической полости.

Т.к. второе слагаемое гораздо меньше, особенно в случае профилированного рабочего канала, то диффузионная длина может быть оценена:

где r_р - среднее расстояние до стенки радиальной вставки.

Таким образом, использование профилированного рабочего канала приводит к уменьшению диффузионной длины более чем на порядок, что существенно повышает роль диффузионных процессов. Становится более ярковыраженным диффузионный вынос на стенку с последующим тушением атомов в метастабильном состоянии, диффузионный уход электронов с последующей рекомбинацией на стенке. Кроме того, наличие в уравнении для описания временной зависимости температуры электронов члена

где D_a(T_e) - коэффициент амбиполярной диффузии электронов,

Т_е - температура электронов,

k - постоянная Больцмана,

приводит к снижению температуры электронов, что в свою очередь согласно уравнению

где β - коэффициент тройной рекомбинации,

N_e - концентрация электронов,

обеспечивает более интенсивную рекомбинацию электронов в послесвечении и соответственно снижение предымпульсной концентрации электронов.

Таким образом, уменьшение диффузионной длины является еще одним фактором, объясняющим влияние радиальных вставок на генерационные характеристики лазера на парах меди. Данное влияние происходит опосредованно через уменьшение предымпульсных значений температуры и концентрации электронов, а также концентрации атомов меди в метастабильном состоянии.

Таким образом, использование активного элемента с рабочим каналом предложенной конструкции приводит к повышению в несколько раз энергетических, частотных характеристик и качества выходного излучения лазера на парах меди.

Выполнение вакуумно-плотного корпуса активного элемента с предлагаемой конструкцией и соответствующим размещением рабочего металла относительно рабочего канала позволяет создать условия саморазогревного режима работы лазера, в котором условия возбуждения и скорость вращения вентиляторов определяют температуру рабочего канала. По мере разогрева активного элемента лазера создаются условия для плавления рабочего металла и осуществления подачи его паров в рабочий канал.

Количество радиальных ребер определяется их геометрическими размерами: желательно выполнение ребер радиальной вставки более тонкими, однако минимальная толщина ограничена термостойкостью ребра. Кроме того, общая площадь сечений ребер радиальной вставки не должна превышать 50% от площади сечения рабочего канала. Превышение данного предела приводит к снижению как удельной, так и средней выходной мощности.

Значение высоты ребра радиальной вставки определяется следующим: при значении, меньшем 20% радиуса рабочего канала, незначительное увеличение энергетических и частотных характеристик не оправдывает экономических затрат на изготовление активного элемента с профилированным рабочим каналом Превышение верхнего предела, т.е. 0,8 радиуса рабочего канала, приводит к технологическим трудностям при изготовлении ребер радиальной вставки.

Дополнительное утепление рабочего канала теплоизоляцией позволяет снизить продольный вынос рабочего металла и при более низком энерговкладе достичь рабочей температуры.

Размещение вакуумно-плотного кварцевого корпуса в тепловой камере устраняет необходимость его утепления теплоизоляцией для образования паров рабочего металла и создает возможность контролирования их температуры. Тепловая камера выполняется с воздушным охлаждением и может иметь как прямоугольную, так и цилиндрическую форму. Ее стенки должны отстоять от стенок вакуумно-плотного корпуса на расстоянии, устраняющем возникновение разряда между ними. Количество вентиляторов, встроенных во внешнюю стенку тепловой камеры, определяется длиной рабочего канала активного элемента.

На фиг.1 представлено поперечное сечение газоразрядной трубки лазера на парах металла.

На фиг.2 изображена конструкция газоразрядной трубки лазера на парах металлов и поперечное сечение разрядного канала.

На фиг.3 представлена зависимость средней по радиусу ГРТ температуры газа, где кривые 1 - для цилиндрической геометрии ГРТ, кривые 2 - для профилированного рабочего канала, сплошная кривая - для однородного по сечению рабочего канала энерговклада, пунктирная кривая - для треугольного распределения энерговклада, штрихпунктирная кривая для энерговклада параболического распределения энерговклада.

На фиг.4 (а) представлена зависимость температуры газа по радиусу ГРТ при удельном энерговкладе 1 Вт/см³, где кривые 1 - для цилиндрической геометрии, кривые 2 - для трубки с профилированным рабочим каналом, сплошная кривая - для однородного по сечению рабочего канала энерговклада, пунктирная кривая - для треугольного распределения энерговклада, штрихпунктирная кривая - для энерговклада параболического распределения энерговклада.

На фиг.4 (б) представлено распределение по радиусу ГРТ концентрации атомов меди в основном состоянии при удельном энерговкладе 1 Вт/см³, где кривые 1 - для ГРТ с профилированным рабочим каналом, кривые 2 - для ГРТ цилиндрической геометрии, сплошная кривая - для однородного по сечению рабочего канала энерговклада, пунктирная кривая - для треугольного распределения энерговклада, штрихпунктирная кривая - для энерговклада параболического распределения энерговклада.

На фиг 4 (в) представлено радиальное распределение равновесной с температурой газа концентрации атомов меди в состоянии D_5/2, где кривые 1 - для случая цилиндрической геометрии рабочего канала, кривые 2 - для профилированного рабочего канала, сплошная кривая - для однородного по сечению рабочего канала энерговклада пунктирная кривая для треугольного распределения энерговклада, штрихпунктирная кривая - для энерговклада параболического распределения энерговклада.

На фиг.5 схематично изображена конструкция газоразрядной трубки лазера на парах металлов.

На фиг.6 схематично представлено поперечное сечение разрядного канала активного элемента лазера на парах металлов.

Активный элемент лазера (фиг.5) представляет собой цилиндрический вакуумно-плотный кварцевый корпус 1 с электродами 2 на ее концах. Электроды 2 засыпаны медной стружкой. Внутри вакуумно-плотного кварцевого корпуса 1 расположен керамический цилиндр 3 из оксида бериллия, образующий рабочий канал 4. Внутрь рабочего канала введен цилиндр-держатель 5 с внутренними радиальными ребрами (фиг 6) из корундовой керамики 22ХС с толщиной ребра 2 мм. Их высота составляет 0,7(1,4 см) радиуса рабочего канала, а их количество выбрано исходя из соотношения площадей общей площади сечений ребер радиальной вставки, равной 2,3, см, и площади сечения рабочего канала, равной 12,5 см², и равно 8. Общая площадь сечений ребер радиальной вставки составляет 18,5% площади сечения рабочего канала. Цилиндр-держатель может быть выполнен сборным из набора шайб, внутри которых также выполнены радиальные ребра. Поддержание необходимой температуры в рабочем канале обеспечено наличием теплоизоляции 6, например оксида циркония, между вакуумно-плотным корпусом и цилиндром из бериллиевой керамики. В нижней части радиальных вставок 5 через равные интервалы расположены восемь навесок-испарителей 7 рабочего металла, например меди, в твердом состоянии. На концах вакуумно-плотного корпуса 1 расположены выходными окна 8. Снаружи вакуумно-плотный корпус 1 охвачен тепловой камерой 9. Продольная внутренняя стенка тепловой камеры 9 имеет отверстия 10 для отвода тепла. Внешняя стенка тепловой камеры 9 оснащена двумя вентиляторами 11, а внутри тепловой камеры 9 установлен термодатчик 12, например термопара, электрически связанный с блоком контроля температуры 13 (БКТ), который, в свою очередь, соединен с вентиляторами 11. Электроды 2 соединены с импульсным источником питания 14 (ИИП).

Данная конструкция активного элемента лазера на парах металла может в качестве рабочего металла содержать элементы из группы Сu, Pb, Mn, Sn, Au, Re. Еu..., либо их соединения CuF, CuCl, CuBr, CuI, PbBr, PbCl, SnBr, SnCI, SnF, AuCl, FeCl, HgBr, HgCl, HgF, ReCl, ReBr и другие.

Блок контроля температуры 13 может быть выполнен на основе микроконтроллера Intel 8051. Импульсный источник питания 14 может быть выполнен по одной из стандартных схем (Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И, Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. М.: Научная книга, 1998. С. 86), например, следующим образом. От промышленной трехфазной сети с помощью высоковольтного трехфазного трансформатора и выпрямителя, реализованного по схеме Ларионова, осуществляется заряд накопительного конденсатора разрядного контура, который содержит активный элемент лазера. С заданной частотой коммутатор, например тиратрон ТГИ2-1000/25, подключает накопительный конденсатор к электродам активного элемента лазера.

Активный элемент лазера на парах меди с набором радиальных вставок работает следующим образом. При включении импульсного источника питания 14 на электроды 2 вакуумно-плотного корпуса 1 подается напряжение. В рабочем канале 4 формируется разряд. С течением времени в тепловой камере 9 создаются условия, при которых навески 7 меди внутри рабочего канала 4 достигают необходимой температуры и начинают плавиться и в виде паров поступать в разряд с последующим возбуждением атомов меди и возникновением генерации. При этом посредством более однородного радиального распределения параметров плазмы и уменьшения диффузионной длины обеспечивается увеличение генерационных характеристик лазера на парах металла. При повышении температуры внутри тепловой камеры 9 выше необходимой для достижения устойчивой генерации срабатывает обратная связь через термодатчик 12 и блок контроля температуры 13 включает вентиляторы 11 до тех пор, пока температура не достигнет прежнего уровня.

Таким образом, предлагаемая конструкция активного элемента лазера на парах металлов позволяет повысить частотные и энергетические характеристики лазера на парах металлов. Наличие обратной связи позволяет поддерживать постоянную разность температур рабочего канала вакуумно-плотного корпуса и окружающей среды, обеспечивая оптимальную концентрацию паров рабочего металла в активной среде без использования внешних нагревателей, в отличие от известных газоразрядных трубок на парах металла. Это приводит к значительному увеличению срока службы активного элемента и повышению генерационных характеристик лазера.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке лазеров на парах металлов и их соединений для целей медицины, микроэлектронных технологий, навигации, научных исследований, зондирования атмосферы. Активный элемент содержит вакуумно-плотный корпус с выходными окнами на торцах, внутри которого коаксиально размещена трубка из бериллиевой керамики, ограничивающая рабочий канал лазера, с помещенным внутри держателем, по всей длине которого периодично расположены навески - испарители рабочего металла, и два электрода. Держатель выполнен в виде цилиндра, расположенного коаксиально с вакуумно-плотным корпусом, с внутренними радиальными ребрами, имеющими высоту от 0,2 до 0,8 радиуса рабочего канала и общую площадь сечения ребер не более 50% площади сечения рабочего канала, между вакуумно-плотным корпусом и цилиндром из бериллиевой керамики размещена теплоизоляция. Электроды выполнены в виде цилиндрических стаканов, присоединенных к вакуумно-плотному корпусу и заполненных медной стружкой. Вакуумно-плотный корпус в районе рабочего канала снаружи охвачен тепловой камерой, в которой размещены, по крайней мере, один термодатчик и один вентилятор, электрически связанные с блоком контроля температуры. Обеспечено повышение надежности, частотных и энергетических характеристик лазера и однородности его разряда. 4 з.п. ф-лы. 6 ил.

1. Активный элемент лазера на парах металлов, содержащий вакуумно-плотный корпус с выходными окнами на торцах, внутри которого коаксиально размещена трубка из бериллиевой керамики, ограничивающая рабочий канал лазера, с помещенным внутри держателем, по всей длине которого периодично расположены навески-испарители рабочего металла, а также два электрода, отличающийся тем, что держатель выполнен в виде цилиндра, расположенного коаксиально с вакуумно-плотным корпусом, с внутренними радиальными ребрами, имеющими высоту 0,2-0,8 радиуса рабочего канала и общую площадь сечения ребер не более 50% площади сечения рабочего канала, между вакуумно-плотным корпусом и цилиндром из бериллиевой керамики размещена теплоизоляция, при этом электроды выполнены в виде цилиндрических стаканов, присоединенных к вакуумно-плотному корпусу и заполненных медной стружкой, кроме того, вакуумно-плотный корпус в районе рабочего канала снаружи охвачен тепловой камерой, в которой размещены, по крайней мере, один термодатчик и один вентилятор, электрически связанные с блоком контроля температуры.2. Активный элемент по п.1, отличающийся тем, что держатель выполнен из корундовой керамики.3. Активный элемент по п.1, отличающийся тем, что держатель выполнен из бериллиевой керамики.4. Активный элемент лазера на парах металлов по п.1, отличающийся тем, что тепловая камера выполнена с внутренней продольной перегородкой, имеющей отверстия для отвода тепла.5. Активный элемент по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический держатель выполнен из набора шайб, расположенных коаксиально с вакуумно-плотным корпусом.