ВОЛНОВОДНЫЙ CO ЛАЗЕР С ВЧ-ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2005 года по МПК H01S3/97 H01S3/38 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве волноводных СО₂ лазеров, возбуждаемых высокочастотным полем.

Известна конструкция волноводного газового лазера с ВЧ-возбуждением, содержащего волноводный разрядный канал, сформированный с двух противоположных сторон электродами, а с двух других диэлектрическими пластинами, и зеркала, установленные на торцах канала (см. пат. США 4169251, кл. 331/94.5, опубл. 25.09.79 г.).

Недостатком известной конструкции является низкая надежность лазера, связанная с тем, что оптические зеркала имеют непосредственный контакт с плазмой газового разряда, что приводит к деградации их поверхности и соответственно к снижению мощности и КПД лазера.

Кроме того, сложность в изготовлении и нестабильность конструкции линейного лазера из-за наличия протяжных клеевых соединений деталей, образующих разрядную структуру и имеющих разные коэффициенты линейного расширения, может привести к разгерметизации лазера.

Известна конструкция газового лазера с ВЧ-возбуждением, содержащего разрядный канал, сформированный с двух противоположных сторон электродами, а с двух других сторон диэлектрическими пластинами, расположенными на протяженных внутренних кронштейнах, составляющих единое целое с оболочкой лазера, и зеркала (см. пат. США №4493087, кл. 372/64, опубл. 8.01.85 г.).

Недостатком известной конструкции является неэффективное охлаждение разрядного канала. Это связано с тем, что тепловая энергия, выделяемая плазмой газового разряда, отводится через изолирующие диэлектрические пластины по протяженным узким внутренним кронштейнам на цилиндрическую оболочку. Неэффективное охлаждение стенок разрядного канала приводит к уменьшению мощности излучения и соответственно КПД лазера.

Другим недостатком известной конструкции является низкая надежность при воздействиях механических факторов на лазер. Это объясняется следующим.

Детали разрядной структуры - керамические пластины и электроды - зафиксированы между узкими протяженными внутренними кронштейнами и при механическом воздействии (удары, вибрации) в горизонтальном направлении может произойти смещение деталей разрядной структуры.

Известна конструкция волноводного газового лазера с ВЧ-возбуждением, со складным П-образным резонатором, содержащая два крайних и один центральный ВЧ-электроды, два канала, каждый из которых ограничен с двух противоположных сторон диэлектрическими пластинами, и четыре зеркала, два из которых поворотные, а два - светоделительное и высокоотражающее (см. пат. РФ 1572369, кл. H 01 S 3/097, опубл. 1994 г. - принята за прототип).

Данная конструкция компактна, симметрична, устойчива к механоклиматическим воздействиям, исключает перемещение разрядных каналов, имеет простой способ сборки, который позволяет автоматизировать процесс изготовления лазера. Однако наряду с достоинствами известный лазер обладает рядом недостатков и первый из них - низкий КПД.

Это объясняется тем, что в волноводных лазерах со складным П-образным резонатором неизбежны волноводные потери как результат двух эффектов:

- излучение на выходе волноводного канала подчиняется закону распространения света в свободном пространстве и имеет соответствующую расходимость, зависящую от размеров волноводного канала. Поэтому чем протяженней участок между двумя волноводными каналами, тем меньше оптического излучения будет поступать из одного канала в другой;

- на входе в волноводный канал имеет место преобразование гауссового пучка в волноводную моду. Потери возникающие при этом, определяются условием согласования, т.е. взаимным расположением гауссового пучка и торца волноводного канала и пропорциональны Z^3/2 (где Z - путь прохождения излучения между волноводными каналами).

Кроме того, поворотные зеркала неидеальные и не имеют 100% отражения. Реальный коэффициент отражения зеркал, используемый в волноводных СО₂ лазерах, 99,1-99,3%. Т.е. часть оптической мощности рассеивается и поглощается на отражающих покрытиях. В лазерах LCD-10A замена поворотных зеркал с коэффициентом отражения 99,1% на идеальные зеркала со 100% отражением позволит повысить мощность излучения на 7%.

Таким образом, наличие неизбежных волноводных потерь при прохождении оптического излучения узла поворотных зеркал и не 100% отражение поворотных зеркал приводит к снижению выходной мощности и КПД лазера.

Другим недостатком известной конструкции является то, что центральный электрод, на который подается высокочастотное напряжение, "работает" одновременно на два разрядных канала. Поэтому при более раннем зажигании плазмы в одном из каналов снижается напряжение на выходе ВЧ-генератора и зажигание разряда во втором канале нестабильно. Для устранения нестабильности в поджиге разряда в волноводных каналах необходимо увеличить ВЧ-мощность ВЧ-генератора выше оптимальной на 10-15%, а это приводит к снижению КПД лазера.

Другим недостатком известной конструкции является также неэффективное охлаждение центрального электрода, испытывающего двойную тепловую нагрузку от плазмы двух газовых разрядов. Это приводит к снижению мощности излучения и соответственно к уменьшению КПД лазера.

Технология изготовления известной конструкции должна предусматривать жесткое равенство входной апертуры обоих волноводных каналов. В противном случае возникнут дополнительные волноводные потери оптического излучения со стороны поворотных зеркал при входе-выходе из одного канала в другой. Это усложняет технологию изготовления известной конструкции.

Наличие четырех оптических зеркал со своими механизмами юстировки и точность их юстировки, а также их герметизация - все это усложняет и удорожает известную конструкцию.

Задача изобретения - создание одноканального волноводного CO₂ лазера с ВЧ-возбуждением, с высоким КПД, надежной и стабильной конструкцией, на базе двухканального волноводного лазера.

Технический результат будет получен за счет исключения в одном из каналов лазера газового разряда, устранения волноводных потерь, эффективного охлаждения элементов лазера.

Указанный технический результат достигается тем, что в волноводном СО₂ лазере с ВЧ-возбуждением, содержащем два крайних и один центральный ВЧ-электроды, два канала, каждый из которых ограничен с двух противоположных сторон крайним и центральным ВЧ-электродами, а с двух других сторон диэлектрическими пластинами, и зеркала, в одном из крайних электродов выполнен продольный прямоугольный паз глубиной L≥1,5h и шириной Н≥h+1, образующий с близлежащим каналом продольный изолирующий объем, который исключает возможность возникновения в нем газового разряда. Это позволит на базе серийно выпускаемых лазеров со складным резонатором типа LCD создать одноканальную, надежную и стабильную конструкцию лазера с высоким КПД, с более простой технологией изготовления и меньшей стоимостью.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлены технические решения, в которых был бы повышен КПД, увеличена долговечность, повышена надежность и стабильность конструкции одноканального волноводного СО₂-лазера с ВЧ-возбуждением, выполненного на базе 2-канального лазера, за счет устранения волноводных потерь, исключения газового разряда в одном из каналов, эффективного охлаждения элементов лазера.

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

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана разрядная структура предлагаемой конструкции в увеличенном масштабе.

На фиг.2 показан продольный разрез лазера.

На фиг.3 показано поперечное сечение волноводного СО₂ лазера с ВЧ-возбуждением.

Волноводный газовый лазер с ВЧ-возбуждением содержит центральный ВЧ-электрод 1 (фиг.1) и диэлектрические пластины 2, 3, которые стянуты между собой винтами 4. Для точного расположения центрального электрода 1 между диэлектрическими пластинами 2, 3 в нем выполнен выступ, а в пластине 2 паз. Диэлектрические пластины 2, 3 с центральным электродом расположены между крайними электродами 5, 6, которые стянуты между собой винтами 7, образуя тем самым разрядную структуру. Разрядная структура имеет разрядный канал 8 и изолирующий объем 9, для образования которого в крайнем электроде выполнен продольный паз 10. Разрядная структура размещена в несущей резонатора 11 (фиг.2,3), которая служит также оболочкой для запаса рабочего газа. На торцах несущей резонатора (фиг.2) размещены фланцы 12, 13, на которых расположены светоделительное зеркало 14 и высокоотражающее зеркало 15 соответственно. Запас рабочего газа заключен в полостях 16, 17 и изолирующем объеме 9. Радиаторы 18, 19 служат для охлаждения разрядной структуры и стянуты между собой винтами (не показаны).

Разрядный канал 8 фиг.3 имеет квадратное сечение со стороной квадрата "h". Прямоугольный паз в крайнем электроде 6 имеет ширину H и глубину L.

Устройство работает следующим образом.

При подаче ВЧ-напряжения на центральный электрод 1 в разрядном канале 8 зажигается разряд. Неподжиг разряда в изолирующем объеме 9 гарантируется его поперечными размерами, которые определяются размерами разрядного канала и размерами продольного прямоугольного паза в крайнем электроде

L≥1,5h

H≥h+1,

где L - глубина продольного паза;

Н - ширина паза;

h - ширина разрядного канала.

Светоделительное и высокоотражающее зеркала 14, 15 служат для получения генерации и вывода излучения из резонатора волноводного лазера.

Предлагаемая конструкция позволит увеличить КПД лазера за счет устранения волноводных потерь, отказавшись от узла поворотных зеркал.

Предлагаемая конструкция позволит повысить КПД лазера за счет более эффективного охлаждения центрального электрода, который выполнен из теплопроводящего металла. Плотное прижатие центрального электрода к диэлектрическим пластинам усредняет их температуру. Тепловые потоки от керамических пластин отводятся на крайние электроды и далее через тонкостенную трубу на радиаторы охлаждения. Т.е. другими словами, не только выделяемая в разрядной структуре тепловая энергия в два раза меньше, чем в известной, но и еще, плюс к этому, часть этой энергии отводится через диэлектрические пластины на крайний электрод с пазом.

В предлагаемой конструкции наличие только высокоотражающего и светоделительного зеркала, значительно сокращает время юстировки и упрощает сам процесс юстировки зеркал, сокращается количество герметизирующих швов, количество деталей, юстировочных торцевых узлов, снижается прецизионность выполнения геометрических размеров разрядной структуры.

Все это упрощает технологию изготовления и стоимость лазера.

Еще одним положительным фактором в предлагаемой конструкции является увеличение долговечности работы лазера.

Одним из факторов, влияющих на долговечность отпаянных лазеров, является наличие запаса рабочего газа, точнее соотношение между объемом рабочего газа в разрядном канале и балластном объеме, содержащем запас рабочего газа. В известной конструкции LCD-10A это соотношение равно 1:24. Для увеличения объема рабочего газа в LCD-10A предусмотрен выносной дополнительный объем, что усложняет конструкцию и увеличивает поперечные размеры лазера.

В предлагаемой конструкции, при наличии одного разрядного канала и изолирующего объема, выполняющего роль дополнительного объема, содержащего запас рабочего газа, это соотношение увеличивается до 1:56. При таком соотношении обеспечивается длительная работа лазера.

В таблице 1 указаны параметры известной конструкции LCD-10A и предлагаемой конструкции.Тип лазераДлина разрядного каналаМощность излученияВкачиваемая в разряд мощностьКПДLCD-10AДва канала по 29 см, расположенных параллельно15 Вт184Вт7,8%Предлагаемая конструкцияОдин канал 40 см16 Вт128Вт12,5%

Из таблицы 1 видно, что предлагаемая конструкция при больших линейных размерах тем не менее имеет более высокий КПД лазера и меньшую потребляемую мощность приблизительно на 25-30%. Это существенно при применении лазеров, например, в системах на борту летательных аппаратов или автомобильного транспорта, где на первое место выходит режим экономной работы автономных источников питания.

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

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве волноводных одноканальных СО₂ лазеров с ВЧ-возбуждением. Лазер содержит два канала, первый из которых является разрядным, и высокоотражающее и светоделительное зеркала, установленные по торцам разрядного канала. Каждый канал ограничен с двух противоположных сторон крайним и центральным электродами, а с двух других сторон диэлектрическими пластинами. В одном из крайних электродов выполнен продольный прямоугольный паз глубиной L≥1,5h и шириной Н≥h+1 для образования с близлежащим вторым каналом изолирующего объема, содержащего дополнительный запас рабочего газа, где h - ширина разрядного канала. Обеспечено создание одноканального волноводного лазера с высокими КПД и долговечностью, надежной и стабильной конструкцией. 3 ил., 1 табл.

Волноводный СО₂ лазер с ВЧ-возбуждением, содержащий два канала, каждый из которых ограничен с двух противоположных сторон крайним и центральным ВЧ-электродами, а с двух других сторон диэлектрическими пластинами, и зеркала, отличающийся тем, что в одном из крайних электродов выполнен продольный прямоугольный паз глубиной L≥1,5h и шириной Н≥h+1, образующий с близлежащим каналом изолирующий объем, при этом зеркала, высокоотражающее и светоделительное, установлены по торцам разрядного канала, где h - его ширина.