CO ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2005 года по МПК H01S3/223 

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при производстве возбуждаемых поперечным разрядом отпаянных СO₂ лазеров с высокой долговечностью.

Известен СО₂ лазер с поперечным возбуждением, содержащий центральный и заземленный электроды из алюминиевого сплава и две диэлектрические пластины, образующие два разрядных канала с квадратными поперечными сечениями. При размере разрядных каналов 2.8×2.8 мм² рабочий объем лазера заполняется смесью газов 1 CO₂:1N₂:4Не:0.3 Хе общим давлением 68 Торр.

На электроды лазера подается высокочастотное напряжение частотой 81.36 МГц, что позволяет снизить до минимума взаимодействие электронов в разряде с электродами по сравнению с продольным разрядом постоянного тока. В результате увеличивается рабочий ресурс лазера, повышается стабильность и однородность разряда, значительно снижается напряжение поддержания разряда, уменьшается размер лазера и упрощается его конструкция (см. V.М.Cherezov, V.V.Kyun, A.Y.Payurov, V.G.Samorodov, E.F.Shishkanov, A.A.Sipaylo, "Parametrical line of RF-excited waveguide CO₂ lasers", Proc. SPIE 4165, pp. 150-156, 2000).

Недостаток известного лазера при длительной эксплуатации в отпаянном режиме работы обусловлен деградацией рабочей смеси, где основным фактором является диссоциация молекул CO₂ и возрастание ее степени вследствие необратимого ухода образующегося кислорода на элементы внутренней арматуры. Наиболее интенсивное поглощение кислорода происходит на стенках разрядного канала, в результате чего в последнем концентрация CO₂ постоянно снижается и, следовательно, снижается коэффициент усиления и мощность излучения лазера и, как

следствие, долговечность. С момента включения лазера концентрация кислорода достигает экстремума около 4% спустя 2 часа работы, после чего происходит ее уменьшение со скоростью порядка 0.02 Торр/час. В результате уже через 100 часов работы концентрация O₂ может оказаться менее 1%, а доля СO₂ снизится с 16% до 2÷3%, что приведет к падению выходной мощности лазера и впоследствии к исчезновению генерации.

Известен СO₂ лазер с продольным разрядом постоянного тока, содержащий на рабочей стороне стенок разрядной трубки слой золота. При диаметре разрядного канала 28 мм лазер в отпаянном режиме работы наполняется исходной смесью газов 7 СO₂:13 N₂:80 Не общим давлением 12 Торр. Рабочая смесь может также включать моноокись углерода СО. Возбуждение лазера осуществляется при токе разряда 40 мА.

Нанесенное на рабочую сторону стенок разрядной трубки золото является эффективным катализатором в реакции окисления СО до СO₂ и способствует снижению степени диссоциации молекул CO₂ на СО и О₂ под действием электрического разряда до чрезвычайно низкого значения. Упомянутая регенерация молекул CO₂ происходит преимущественно на покрытых золотом поверхностях, устраняя тем самым атомарные формы кислорода из остальной части разрядного объема, в результате чего увеличивается как коэффициент усиления активной среды, так и выходная мощность лазера по сравнению с лазером без золотого катализатора. С другой стороны, низкая концентрация кислорода в разрядном объеме, как результат снижения степени диссоциации молекул СO₂, позволяет создавать отпаянные СO₂ лазеры с высокой долговечностью, поскольку в несколько раз снижается скорость поглощения кислорода стенками разрядного канала лазера, благодаря чему нет необходимости в поддержании равновесной концентрации кислорода в газовом объеме на уровне ~ 4%, как в лазере без золотого катализатора (см. патент США № 4756000, кл. H 01 S 3/22, 1988).

Недостатком указанного лазера является невозможность нанесения золота на электроды лазера, поскольку при этом золото не сможет выполнять каталитические функции окисления СО в результате ионной бомбардировки электродов лазера, приводящей к эффекту отравления золотой поверхности катализатора. В описании данного лазера не приводится требуемая концентрация СО при ее добавлении в рабочую газовую смесь.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является CO₂ лазер с поперечным возбуждением, который включает в себя герметичный корпус, содержащий газовую смесь и разрядную структуру с поперечным сечением 2.5×2.5 мм², сформированную двумя медными электродами и двумя диэлектрическими пластинами. При этом рабочие поверхности электродов покрываются слоем золота. Рабочий объем лазера заполняется газовой смесью 1 CO₂:1N₂:5 Не+5% Хе общим давлением 100 Торр. Возбуждение разряда осуществляется подачей к электродам лазера ВЧ напряжения. При указанном поперечном возбуждении площадь электродов, участвующая в формировании разряда, достаточно велика, а плотность разрядного тока в несколько раз ниже, чем для электродов при продольном разряде постоянного тока. Благодаря этому взаимодействие заряженных частиц с поверхностью электродов минимально и не приводит к снижению эффективности работы золотого катализатора (см. М.В.Heeman-Ilieva, Yu.В.Udalov, К.Hoen and W.J.Witteman, "Enhanced gain and output power of a sealed-off rf-excited CO₂ waveguide laser with gold-plated electrodes", Appl. Phys. Lett. 64 (6), pp. 673-675, 1994 - прототип).

Недостатком данного лазера является то, что увеличение выходной мощности и, соответственно, сама каталитическая активность золота наблюдаются исключительно при разогреве одного из электродов лазера до температуры 50÷60°С. Золото само по себе не может рассматриваться как эффективный катализатор. Каталитическая активность золота проявляется, когда оно находится в непосредственном взаимодействии с плазмой разряда СO₂ лазера. При этом золотое покрытие становится активным с момента формирования на его поверхности монослоя молекул СО, когда кислород эффективно рекомбинирует с молекулами СО, а покрытая золотом поверхность выступает в качестве третьего тела для отвода выделяющегося в ходе этой реакции избытка энергии:

где под М подразумевается третья частица.

Необходимо отметить, что каталитическая активность золота может со временем исчезать. Объясняется это тем, что, помимо СО, с золотой поверхностью могут взаимодействовать другие вещества (кислород, пары воды и др.), образующиеся в ходе плазмохимических процессов в разряде СО₂ лазера. В результате таких взаимодействий золотое покрытие отравляется, что затрудняет формирование на нем монослоя молекул СО. В прототипе, в частности, при наполнении рабочего объема лазера указанной выше газовой смесью и зажигании разряда в ходе диссоциации молекул СО₂ часть образованных молекул СО формирует слой на золотой поверхности электродов. Образованная в ходе диссоциации соответствующая доля кислорода может как рекомбинировать с СО на поверхности электродов, так и взаимодействовать непосредственно с золотом, вызывая тем самым его отравление и снижая коэффициент усиления активной среды, выходную мощность и долговечность лазера. Дополнительный нагрев электрода способствует удалению нежелательных веществ с золотой поверхности, что и обеспечивает работу катализатора. Таким образом, для обеспечения долговременной работы данного лазера необходимо в процессе эксплуатации поддерживать неизменной температуру одного из электродов на уровне 50-60°С, что требует применения специальных систем охлаждения и соответствующих энергозатрат, снижающих эффективность лазера в целом. Более того, нагрев электрода с целью достижения каталитической активности негативно сказывается на эффективности СO₂ лазера, поскольку повышение температуры стенок разрядного канала ухудшает процесс опустошения нижнего лазерного уровня молекулы СO₂, являющийся необходимым в механизме работы СО₂ лазера. Именно поэтому в прототипе осуществляется нагрев только одного электрода при поддержании низкой (около 20°С) температуры другого электрода. Следует отметить, что наличие такого градиента температур может приводить к деформированию разрядного канала, а следовательно, к искажению структуры выходного лазерного излучения и не позволяет для многих конструкций лазеров использовать каталитический эффект указанным образом (в частности, в лазерах со щелевой геометрией разрядного канала).

Задача изобретения – создание возбуждаемого поперечным разрядом СО₂ лазера с повышенной долговечностью в отпаянном режиме работы.

Технический результат достигается за счет подбора состава газовой смеси, обеспечивающей эффективное окисление СО до CO₂.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном СО₂ лазере с поперечным возбуждением, содержащем электроды, формирующие разрядную структуру, рабочая поверхность, по крайней мере, одного из которых покрыта золотом, и наполнение, включающее двуокись углерода СО₂ и гелий Не, в наполнение дополнительно введена моноокись углерода СО при следующем соотношении компонентов, об.%: СО - 4-30, СO₂ - 4-20,Не – 50-92.

При исходном присутствии в газовой смеси молекул СО, не сбалансированных молекулами O₂, гарантируется наличие монослоя СО на поверхности золотого катализатора и эффективное взаимодействие молекул СО с кислородом как в разрядном объеме, так и на золотой поверхности и низкая вероятность непосредственного взаимодействия золота с кислородом в силу минимизации его концентрации, что обеспечит повышение долговечности приборов, используемых предлагаемое наполнение.

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 в заявленном объекте, 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 из уровня техники не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, а именно не выявлен СО₂ лазер с поперечным возбуждением, в котором наполнение дополнительно содержит моноокись углерода, и соотношение компонентов газовой смеси таково, что на рабочей поверхности электрода, покрытого золотом, формируется монослой СО, обеспечивающий эффективное окисление СО до СO₂, что позволяет поддерживать заданное значение мощности лазерного излучения в течение длительного периода работы лазера в отпаянном режиме.

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

На фиг.1 представлено сечение волноводного СO₂ лазера с поперечным возбуждением.

На фиг.2 представлен щелевой СO₂ лазер с поперечным возбуждением.

Волноводный лазер (фиг.1) содержит два разрядных канала 1, сформированные металлическими электродами 2, 3 и керамическими пластинами 4. На рабочие поверхности электрода 2 нанесен слой золота 5. Сформированная таким образом разрядная структура размещается в трубе 6, являющейся несущей оптического резонатора. С боковых сторон несущая резонатора усилена двумя радиаторами 7, служащими для жидкостного охлаждения. Передача энергии в плазму разрядных каналов осуществляется через энерговвод 8. Снизу энерговвод закрыт экранирующей платформой 9. Параллельно несущей резонатора расположен дополнительный объем 10, закрытый декоративной крышкой 11. Рабочий объем лазера заполняется смесью газов, содержащей СО₂, СО и Не.

Щелевой лазер (фиг.2) содержит разрядный канал 1, сформированный водоохлаждаемыми металлическими электродами 2 и 3, на рабочие поверхности которых нанесен слой золота 5. Разрядная структура размещается в трубе 6, являющейся несущей оптического резонатора и служащей одновременно резервуаром для газовой смеси лазера. Передача энергии в плазму разрядного канала осуществляется через энерговводы 8. Рабочий объем лазера заполняется смесью газов, содержащей СO₂, СО и Не.

Принцип действия предлагаемого устройства состоит в следующем.

В разрядном канале 1 возбуждается поперечный разряд между электродами 2 и 3 и возникает состояние с инверсной заселенностью. При первом включении лазера в начальный момент в разрядном канале реализуются условия, соответствующие работе лазера, не содержащего катализатор, поскольку золотая поверхность электродов еще не является каталитически активной. Однако благодаря наличию в газовой смеси молекул моноокиси углерода происходит адсорбция последних на золотой поверхности электродов, в результате чего в процессе работы лазера повышается эффективность взаимодействия кислорода с моноокисью углерода на золотой поверхности электродов, что приводит к снижению степени диссоциации молекул двуокиси углерода в разрядном канале и увеличению выходной мощности лазера. Следует отметить, что при этом состав газовой смеси изменяется в части снижения концентрации молекул моноокиси углерода в результате их ухода на золотую поверхность электродов. При последующей замене газовой смеси на исходную каталитический эффект проявляется сразу же после включения лазера, поскольку золотая поверхность электродов уже является каталитически активной в результате наличия на ней молекул моноокиси углерода, и в ходе дальнейшей работы лазера концентрация компонент газовой смеси существенно не изменяется по сравнению с равновесным газовым составом, который устанавливается в разрядном канале лазера спустя 0.5-4.0 часа после включения лазера в зависимости от соотношения активного и балластного газовых объемов лазера. При этом благодаря исходному присутствию в газовой смеси молекул СО гарантируется наличие монослоя СО на поверхности золотого катализатора и эффективное взаимодействие молекул СО с кислородом как в разрядном объеме, так и на золотой поверхности и низкая вероятность непосредственного взаимодействия золота с кислородом в силу минимизации его концентрации, что обеспечивает высокую долговечность приборов, используемых предлагаемое наполнение.

Критерии выбора граничных значений содержания СО следующие:

- нижнее значение определяет концентрация кислорода в разрядном объеме, которому необходимо противопоставить вдвое большее количество СО для протекания реакции (1). Так, при степени диссоциации молекул СО₂, не превышающей при работе золотого катализатора 0.2, концентрация кислорода может достигать 2% при верхнем значении СO₂ (20%);

- верхнее значение определяется достижением максимальной эффективности работы лазера в случае использования газовой смеси, не содержащей N₂. В этом случае молекулы СО будут выполнять роль молекул N₂ в части передачи энергии на верхний лазерный уровень молекул СO₂, а концентрация СО будет выбираться равной сумме концентраций N₂ и СО в соответствующей азотосодержащей смеси.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит создавать отпаянные СO₂ лазеры с поперечным возбуждением, обладающие высокой долговечностью и эффективностью работы.

Примеры конкретного выполнения.

1. Экспериментальный образец волноводного лазера (фиг.1).

При размере разрядных каналов 2.2×2.2 мм² рабочий объем лазера заполняется смесью газов общим давлением 105 Торр при следующем соотношении компонентов, об.%: 11.5 СO₂:11.5 N₂:69.0 Не:3.4 Хе:4.6 СО.

2. Экспериментальный образец волноводного лазера (фиг.1). При размере разрядных каналов 3.0×3.0 мм² рабочий объем лазера заполняется смесью газов общим давлением 68 Торр при следующем соотношении компонентов, об.%: 10.8 CO₂:16.3 N₂:65.2 Не:3.3 Хе:4.4 СО;.

3. Экспериментальный образец щелевого лазера (фиг.2). При размере разрядного канала 2.8×40.0 мм² рабочий объем лазера заполняется смесью газов общим давлением 60 Торр при следующем соотношении компонентов, об.%: 9.7 СO₂:24.3 N₂:58.0 Не:3.0 Хе:5.0 СО;

4. Экспериментальный образец щелевого лазера (фиг.2). При размере разрядного канала 2.0×40.0 мм² рабочий объем лазера заполняется смесью газов общим давлением 92 Торр при следующем соотношении компонентов, об.%: 9.7 СO₂: 24.3 N₂:58.0 Не:3.0 Хе:5.0 СО.

5. Экспериментальный образец щелевого лазера (фиг.2). При размере разрядного канала 2.5×40.0 мм² рабочий объем лазера заполняется смесью газов общим давлением 52 Торр при следующем соотношении компонентов, об.%: 10.8 СO₂:16.3 N₂:65.2 Не:3.3 Хе:4.4 СО.

6. Экспериментальный образец щелевого лазера (фиг.2). При размере разрядного канала 2.5×40.0 мм² рабочий объем лазера заполняется смесью газов общим давлением 52 Торр при следующем соотношении компонентов, об.%: 11.2 СO₂:67.5 Не:4.5 Хе: 16.8 СО.

7. Экспериментальный образец щелевого лазера (фиг.2). При размере разрядного канала 2.5×40.0 мм² рабочий объем лазера заполняется смесью газов общим давлением 48 Торр при следующем соотношении компонентов, об,%: 10.6 СO₂:63.8 Не:4.3 Хе:21.3 СО.

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

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при производстве возбуждаемых поперечным разрядом отпаянных СО₂ лазеров с высокой долговечностью. Лазер содержит электроды, формирующие разрядную структуру, рабочая поверхность, по крайней мере, одного из которых покрыта золотом, газовое наполнение включает моноокись углерода СО, двуокись углерода СО₂ и гелий Не, при следующем соотношении компонентов, об.%: СО - 4 - 30, СО₂ - 4÷ 20, Не - 50÷ 92. Обеспечено эффективное окисление СО до CO₂ как в разрядном объеме, так и на золотой поверхности электродов, что позволяет поддерживать заданное значение мощности лазерного излучения в течение длительного периода работы лазера в отпаянном режиме. 2 ил.

СO₂ лазер с поперечным возбуждением, содержащий электроды, формирующие разрядную структуру, рабочая поверхность, по крайней мере, одного из которых покрыта золотом, и наполнение, включающее, по крайней мере, двуокись углерода СO₂ и гелий Не, отличающийся тем, что в наполнение дополнительно введена моноокись углерода СО при следующем соотношении компонентов, об.%

СО4÷30СO₂4÷20Не50÷92