АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ ГАЛОГЕНИДА МЕТАЛЛА Российский патент 2004 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании лазеров на парах галогенидов металлов, например бромида меди.

Известна газоразрядная трубка лазера с парами галогенида меди [US, №463 5271, А, 1987], включающая вакуумно-плотную оболочку, снабженную в ее нижней части контейнерами в виде отростков для размещения галогенида меди, например бромида меди, которые окружены электрическими нагревателями или печами для создания необходимого давления паров рабочего вещества. Улучшением, согласно изобретению, известной трубки являются электроды, состоящие из частиц меди, которые засыпаются в перфорированную кварцевую трубку, впаянную в наружную кварцевую полость и с помощью вакуумно-плотных выводов соединяющихся с импульсным источником питания.

Дальнейшим улучшением такого экспериментального прибора и наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является прибор, описанный в [А 50 - Watt copper bromide laser. SPIE. 2001. V.4184. P.203-206]. В нижней части активной зоны газоразрядной трубки расположены контейнеры для размещения бромида меди, при этом активная зона газоразрядной трубки с контейнерами окружена тепловой камерой, в которую вмонтированы нагреватели, а также содержатся средства контроля температуры контейнеров с бромидом меди.

Вышеописанная конструкция также как и аналог имеет следующие недостатки: при эксплуатации лазера используются два источника питания - источник питания газоразрядной трубки и источник питания нагревателей контейнеров, требующие стабилизации их работы и их взаимной стабилизации для оптимального режима лазера. Достаточно близкое расположение нагревателей контейнеров к каналу газоразрядной трубки приводит к появлению токов смещения, что, в свою очередь, ведет к неконтролируемому перераспределению мощности между источниками питания, и, как следствие, к перегреву контейнеров и интенсивному поступлению паров бромида меди в активную, приэлектродные и торцевые зоны, а в отдельных случаях при высоких напряжениях питания - к пробою кварца.

Задача, которую решает предлагаемая конструкция активного элемента лазера на парах галогенида металла, в частности бромида меди, заключается в увеличении срока службы лазера за счет создания с помощью этой конструкции оптимальной разности температур контейнеров и рабочего канала путем стабилизации температуры контейнеров.

Поставленная задача решается тем, что, как и известная конструкция, предлагаемый активный элемент лазера на парах галогенида металла содержит вакуумно-плотную оболочку с выходными окнами на ее торцах, два, по меньшей мере, электрода на ее концах, заполненные медной стружкой, рабочий канал с ловушками отработанного рабочего вещества, термокамеру, контейнеры с рабочим веществом, например, бромидом меди, расположенные по всей длине рабочего канала и средства контроля температуры контейнеров.

В отличие от известной конструкции, контейнеры выполнены в виде кольцевых полостей, герметично охватывающих рабочий канал вакуумно-плотной оболочки, внутри которой выполнены отверстия в местах охвата ее контейнерами для попадания паров рабочего вещества в рабочий канал.

Кроме того, диаметр (D) наружной поверхности кольцевой полости составляет 1,5-2,5 диаметра (d) вакуумно-плотной оболочки, а ширина (b) контейнера - не менее диаметра (d) вакуумно-плотной оболочки.

Кроме того, ловушки отработанного рабочего вещества представляют собой уширения по всей окружности вакуумно-плотной оболочки и, как минимум по одной, расположены по обе стороны электродов. Ширина ловушек не менее ширины контейнеров.

Дополнительно, для поддержания рабочей температуры, участки рабочего канала, заключенные между контейнерами, обмотаны теплоизолятором, например, каолиновой ватой.

Кроме того, нижняя часть теплокамеры выполнена двойной и имеет внутреннюю и внешнюю стенки, при этом внутренняя стенка имеет отверстия, а во внешнюю вмонтированы вентиляторы.

Выполнение вакуумно-плотной оболочки с предлагаемой формой и соответствующим размещением галогенида металла относительно рабочего канала создают условия саморазогревного режима работы лазера, в котором температура рабочего канала определяет температуру контейнеров. По мере разогрева активного элемента создается температура достаточная для того, чтобы расплавить рабочее вещество и осуществить подачу его паров в рабочий канал через отверстия в вакуумно-плотной оболочке.

Выбор значений диаметра контейнера определено следующим: при значении, меньшем заявляемого, возможен перегрев контейнера, что ведет к неконтролируемому поступлению паров галогенида металла в рабочий канал; превышение верхнего предела этого значения может привести к недогреву контейнеров. Наименьшая ширина контейнеров определяется размещением в нем достаточного для длительной работы количества галогенида металла и отводом тепла, необходимым для создания его паров. Число контейнеров определяется равномерным распределением паров галогенида металла по длине рабочего канала. Максимальная ширина контейнеров может быть увеличена вплоть до их соединения между собой, с условием сохранения между ними перегородки для устранения проникновения в них разряда.

Дополнительное утепление рабочего канала теплоизолятором позволяет ему достичь необходимой оптимальной для работы температуры.

Размещение рабочего канала в тепловой камере устраняет необходимость утепления контейнеров теплоизолятором для образования паров рабочего вещества 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-плотной оболочки на расстоянии, устраняющем возникновение разряда между ними. При значительных размерах тепловой камеры необходимая температура рабочего канала достигается подбором теплоизолятора. Количество вентиляторов, встроенных во внешнюю стенку тепловой камеры, определяется длиной рабочего канала активного элемента.

Стационарный режим работы активного элемента при оптимальном давлении паров поддерживается охлаждением контейнеров внутри тепловой камеры. При превышении температуры в камере автоматически включаются вентиляторы и впоследствии также автоматически выключаются при снижении температуры до уровня оптимальной.

На фиг.1 приведена конструкция активного элемента лазера на парах галогенида металла.

Активный элемент состоит из вакуумно-плотной кварцевой оболочки 1 с окнами 8 на торцах, электродов 2, рабочего канала 3, теплоизолятора 4, отверстий 5 в рабочем канале, контейнеров 6 с рабочим веществом 7, ловушек 9, тепловой камеры 10 с отверстиями 11 во внутренней стенке и вентиляторами 12 во внешней стенке, термопары 13 и блока контроля температуры 14.

Активный элемент лазера на парах галогенида металла (бромида меди) работает следующим образом. При включении импульсного источника питания 15 на электроды 2 вакуумно-плотной оболочки 1 подается напряжение. В рабочем канале 3 формируется разряд. С течением времени в тепловой камере 10 создаются условия, при которых стенки рабочего канала 3 достигают необходимой для стационарного режима работы температуры, а температура контейнеров 6 становится такой, что бромид меди 7 начинает плавиться и в виде паров поступать через отверстия 5 в разряд, где пары бромида меди диссоциируют на атомы брома и меди с последующим возбуждением атомов меди и возникновением генерации. При повышении температуры внутри тепловой камеры 10 срабатывает обратная связь через термопару 13 и электронный блок контроля температуры 14 включает вентиляторы 12 до тех пор, пока температура не достигнет прежнего уровня.

Таким образом, предлагаемая конструкция активного элемента лазера на парах галогенида металла позволяет избежать использование внешних нагревателей, а наличие обратной связи поддерживает постоянную разность температур рабочего канала вакуумно-плотной оболочки и контейнеров, в отличие от известной газоразрядной трубки на парах бромида меди. Это приводит к увеличению срока службы лазера.

Использование: для использования в лазерах на парах галогенидов металлов. Сущность: заключается в том, что активный элемент лазера на парах галогенида металла содержит вакуумно-плотную оболочку, снабженную, по крайней мере, двумя электродами на ее концах, ловушками отработанного рабочего вещества и периодично расположенными по всей длине рабочего канала контейнерами, заполненными рабочим веществом, например, бромидом меди. Кроме того, имеются: тепловая камера, охватывающая рабочий канал с контейнерами, и средства контроля температуры контейнеров. При этом контейнеры выполнены в виде кольцевых полостей, герметично охватывающих рабочий канал вакуумно-плотной оболочки, внутри которой имеются отверстия в местах охвата ее контейнерами для прохождения паров рабочего вещества в рабочий канал, а ловушки отработанного рабочего вещества выполнены в виде уширения вакуумно-плотной оболочки по всей ее окружности. Кроме того, нижняя часть тепловой камеры выполнена двойной, с внутренней и внешней стенками, где во внутренней стенке имеются отверстия, а во внешнюю вмонтированы вентиляторы. Технический результат: увеличение срока службы лазера за счет создания с помощью этой конструкции оптимальной разности температур контейнеров и рабочего канала путем стабилизации температуры контейнеров. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Активный элемент лазера на парах галогенида металла, содержащий вакуумно-плотную оболочку с выходными окнами на ее торцах, по меньшей мере, два электрода на ее концах, рабочий канал с ловушками отработанного рабочего вещества, тепловую камеру, контейнеры с рабочим веществом, например бромидом меди, расположенные периодично по всей длине рабочего канала, и средства контроля температуры контейнеров, отличающийся тем, что контейнеры выполнены в виде кольцевых полостей, герметично охватывающих рабочий канал вакуумно-плотной оболочки, в которой выполнены отверстия в местах охвата ее контейнерами для прохождения паров рабочего вещества в рабочий канал.2. Активный элемент лазера по п.1, отличающийся тем, что диаметр наружной поверхности кольцевой полости контейнеров составляет 1,5-2,5 диаметра вакуумно-плотной оболочки, а ширина контейнера не менее диаметра вакуумно-плотной оболочки.3. Активный элемент лазера по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ловушки отработанного рабочего вещества представляют собой уширения по всей окружности вакуумно-плотной оболочки, равные ширине контейнеров.4. Активный элемент лазера по пп.1-3, отличающийся тем, что участки рабочего канала, заключенные между контейнерами, обмотаны слоем теплоизолятора, например каолиновой ватой.5. Активный элемент лазера по пп.1-4, отличающийся тем, что нижняя часть тепловой камеры выполнена двойной и имеет внутреннюю и внешнюю стенки, при этом внутренняя стенка имеет отверстия, а во внешней вмонтированы вентиляторы.