ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться при производстве газовых лазеров, возбуждаемых поперечным высокочастотным (ВЧ) разрядом, в том числе волноводных СО₂ лазеров, для систем лазерной локации и связи, а также при создании лазерной медицинской аппаратуры и лазерных технологических установок.

Известно, что наилучшие энергетические характеристики и высокие ресурсные показатели газовых (преимущественно на СО₂) лазеров достигнуты при использовании ВЧ накачки [1]. Сравнительно низкие частоты ВЧ возбуждения (до 40 МГц) целесообразно использовать для накачки СО₂ лазеров с поперечным ВЧ разрядом в трубках с резонатором открытого типа. Более высокие частоты ВЧ возбуждения (˜100 МГц) предпочтительны для накачки компактных волноводных газоразрядных лазеров, характеризуемых наличием волноводных резонаторов света, в которых распространение излучения в основном происходит посредством распространения волноводных мод, а не мод свободного пространства [2]. В качестве волноводов используются полые диэлектрические направляющие структуры с характерным размером разрядного канала в случае СО₂ лазеров 1,5-3 мм, который может иметь произвольную геометрическую конфигурацию: круглую, эллиптическую, квадратную или прямоугольную.

Известен волноводный газовый лазер с ВЧ возбуждением [см. пат. США № 4169251, МПК H01S 3/097, публ. 25.09.79], содержащий волноводный разрядный канал, сформированный с двух противоположных сторон электродами, к которым подводится ВЧ мощность для возбуждения газовой среды, а с двух других сторон - диэлектрическими пластинами, и зеркала резонатора, установленные на торцах канала.

В данной конструкции отражающие поверхности зеркал имеют прямой контакт с плазмой газового разряда, что ведет к их быстрой деградации и, как следствие, к снижению ресурсных характеристик лазера. Большие проблемы связаны с изготовлением протяженной металлокерамической структуры с помощью клеевых соединений или низкотемпературной пайки ее элементов. Оба эти процесса влекут за собой дополнительное загрязнение и невозможность хорошего обезгаживания внутреннего объема волноводного канала. Кроме того, разные коэффициенты линейного расширения деталей, образующих разрядную структуру, могут привести к разгерметизации лазера.

Известна конструкция волноводного газового лазера с ВЧ возбуждением [см. пат. США № 4481634, МПК H01S 3/097, публ. 6.11.84], включающая два параллельных, расположенных напротив друг друга продольных электрода, к которым подводится ВЧ мощность для возбуждения газовой среды. Нижний, заземленный электрод выполнен вогнутым в продольном и поперечном направлениях по всей длине, а узкий верхний электрод соответственно выпуклым в продольном и поперечном направлениях.

Большим недостатком данной конструкции является сложность технологии изготовления протяженного изогнутого металлического волновода требуемого качества. Охлаждение газовой смеси в разрядном канале идет в основном в направлении одного заземленного электрода, в то время как в металлокерамическом волноводе охлаждение осуществляется в радиальном направлении и поэтому примерно в 1,5 раза эффективнее. Ухудшение охлаждения разрядного канала, а также волноводные потери и потери на согласование волновода с зеркалами резонатора ведут к заметному уменьшению мощности излучения и соответственно КПД лазера.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является волноводный газовый лазер с ВЧ возбуждением [см. пат. РФ № 2244367, МПК H01S 3/097, приор. 26.05.03], включающий ВЧ источник накачки, заполненный рабочей газовой смесью корпус, размещенный в нем разрядный канал, который ограничен с двух противоположных сторон потенциальным и заземленным ВЧ электродами, а с двух других сторон диэлектрическими пластинами, и установленные по торцам разрядного канала высокоотражающее и светоделительное зеркала оптического резонатора.

В отпаянных лазерах с диффузионным охлаждением активной среды тепловая энергия, выделяемая плазмой газового разряда, отводится через стенки разрядного канала. Поэтому использование двух диэлектрических пластин со сравнительно низкой теплопроводностью (например, теплопроводность широко применяемой в конструкциях волноводов керамики Al₂О₃ на порядок меньше теплопроводности алюминиевого сплава) не обеспечивает эффективного охлаждения разрядного канала, что является недостатком данной конструкции. Кроме того, конструкция волноводного канала, также как и у аналогов, не позволяет осуществить эффективное согласование наиболее простых в изготовлении плоских зеркал резонатора с волноводом, расположив их вплотную к торцу волновода. При построении многоканальных лазеров со сломанным (например, П-образным) волноводным резонатором неизбежны значительные волноводные потери, связанные с наличием обусловленных конструкцией протяженных участков между волноводными каналами. Следствием данных недостатков также является низкая эффективность лазера.

Технический эффект предложенного газового лазера с ВЧ возбуждением заключается в повышении его эффективности при одновременном упрощении устройства и технологии его изготовления.

Для достижения вышеназванного эффекта нами создан газовый лазер с высокочастотным возбуждением, включающий источник высокочастотной накачки, корпус, заполненный рабочей газовой смесью, размещенный в корпусе, по меньшей мере, один разрядный канал, сформированный потенциальным и заземленным высокочастотными электродами, и зеркала оптического резонатора. Новым в устройстве является то, что заземленный электрод по всей его длине выполнен с, по меньшей мере, одной выемкой, при этом на выемке размещена диэлектрическая пластина, а потенциальный электрод расположен на внешней по отношению к выемке поверхности диэлектрической пластины, причем ширина потенциального электрода меньше ширины выемки заземленного электрода.

Форма и размеры выемки в заземленном электроде, определяющие конструктивные характеристики разрядного канала, задаются из условий обеспечения высокой устойчивости ВЧ разряда при выбранных давлении рабочей газовой смеси и уровне мощности накачки. Для волноводных газоразрядных лазеров дополнительные требования к конструктивным параметрам разрядного канала (соответственно к поперечным размерам выемки и его длине) определяются волноводным резонатором, обеспечивающим эффективное подавление высших поперечных мод. Подходы к решению этих задач известны.

Если в предложенной конструкции заземленный электрод выполнить в виде пластины с выемками на двух ее противоположных сторонах, то получается дополнительный технический эффект - повышение выходной мощности лазерного излучателя за счет формирования нескольких разрядных каналов и расширение его функциональных возможностей (см. п.2 Формулы). Используя дополнительный объектив, можно обеспечить возможность сканирования лазерного излучения путем переключения сигналов ВЧ возбуждения отдельных каналов. Подходы к решению этой задачи известны.

Выполнив заземленный электрод в виде многогранной фигуры с выемками на ее плоских боковых гранях, получим большую мощность генерации за счет формирования нескольких разрядных каналов при симметричном нагреве, обеспечивающем минимальные искажения оптической структуры (см. п.3 Формулы).

При выполнении заземленного электрода в виде фигуры со взаимно ортогональными плоскостями с выемками на них, используя внешнее поляризационное устройство для сведения лазерных лучей, можно повысить выходную мощность лазерного излучения. Подходы к решению этой задачи известны (см. п.4 Формулы).

Выполнив выемку зигзагообразной, а в оптическом резонаторе дополнительно установив поворотные зеркала, можно повысить выходную мощность лазера без увеличения его продольных размеров за счет удлинения разрядного канала (см. п.5 Формулы).

Выбор длины потенциального ВЧ электрода меньше длины заземленного электрода позволит расположить плоские зеркала резонатора вплотную к торцам волновода и благодаря этому уменьшить волноводные потери при прохождении оптического излучения в резонаторе (см. п.6 Формулы).

Выполнив разрядный канал волноводным, получим дополнительный технический эффект - высокую устойчивость разряда по отношению к ионизационно-тепловым флуктуациям при существенно больших, чем в традиционных газоразрядных лазерах, давлениях рабочего газа и уровнях мощности накачки (см. п.7 Формулы).

Выполнив в заземленном электроде каналы для конвекции рабочей смеси, увеличим эффективность лазера, обеспечив дополнительное конвекционное охлаждение газа в плазме, а также его смену (см. п.8 Формулы).

Нанеся на поверхность выемки в заземленном электроде эррозионно-защитную пленку, обеспечим более однородный разряд и защитим поверхность земляного электрода от возможной плазменной эрозии в процессе длительной эксплуатации (см. п.9 Формулы).

Если на поверхность выемки в заземленном электроде нанесем пленку катализатора для регенерации рабочей смеси, то увеличим ресурс лазерного излучателя при повышенном удельном энергосъеме (см. п.10 Формулы).

На фиг.1а показан в разрезе общий вид одноканального газового лазера с ВЧ возбуждением, а на фиг.1б - его поперечное сечение (пример конкретного исполнения). Устройство содержит источник 1 ВЧ накачки (ВЧ генератор), корпус 2, заполненный рабочей газовой смесью, размещенный в корпусе разрядный канал 3, сформированный потенциальным и заземленным ВЧ электродами 4 и 5 соответственно, и установленные по торцам разрядного канала высокоотражающее и светоделительное зеркала 6 и 7 соответственно, оптического резонатора. В заземленном электроде 5 по всей его длине выполнена выемка 8, поперечное сечение выемки 8 в заземленном электроде 5 может быть любой формы, например полуокружность. На выемке размещена диэлектрическая пластина 9, на внешней по отношению к выемке 8 поверхности которой расположен потенциальный электрод 4, соединенный с ВЧ генератором 1 через изолированный от корпуса 2 лазера вакуумно-плотный ввод 10 (см. п.1 Формулы).

На фиг.2а и 2б (поперечное сечение) представлен четырехканальный газовый лазер, включающий источник 1 ВЧ накачки, заполненный рабочей газовой смесью корпус 2, четыре разрядных канала 3 и зеркала 6 и 7 оптических резонаторов. Разрядные каналы 3 образованы выемками 8, расположенными на одной стороне заземленного электрода 5 и диэлектрическими пластинами 9 с потенциальными электродами 4. Для подачи ВЧ возбуждения используются вакуумно-плотные вводы 10 (см. п.1 Формулы).

Фиг.3а и 3б (поперечное сечение) демонстрируют общий вид восьмиканального газового лазера, содержащего источник 1 ВЧ накачки, заполненный рабочей газовой смесью корпус 2, разрядные каналы 3 и зеркала 6, 7 оптических резонаторов. Разрядные каналы 3 сформированы выемками 8, расположенными на двух противоположных сторонах заземленного электрода 5, подачу ВЧ возбуждения осуществляют через вакуумно-плотные вводы 10 (см. п.2 Формулы).

На фиг.4 изображен восьми канальный газовый лазер с симметрично расположенными разрядными каналами. Лазер содержит источник 1 ВЧ накачки, заполненный рабочей газовой смесью корпус 2, разрядные каналы, образованные выемками 8 на плоских гранях выполненного в виде многогранной фигуры заземленного электрода 5 и плоскими диэлектрическими пластинами 9 с потенциальными электродами, соединенными через вакуумно-плотные вводы 10 с источником 1 ВЧ накачки (см. п.3 Формулы).

На фиг.5а показан разрез двухканального газового лазера, а на фиг.5б - схема сведения в нем лазерных лучей. В заполненном рабочей газовой смесью корпусе 1 расположены разрядные каналы 3 и зеркала 6, 7 оптических резонаторов. Разрядные каналы 3 образованы выемками 8, расположенными во взаимно ортогональных плоскостях заземленного электрода 5 и диэлектрическими пластинами 9 с потенциальными электродами 4. Для сведения лазерных лучей в один используется поворотное зеркало 11 и селективное поляризационное зеркало 12, пропускающее линейно поляризованное излучение одного лазерного канала и отражающее ортогонально поляризованное лазерное излучение второго канала. Подходы к решению задачи сведения лазерных лучей известны (см. п.4 Формулы).

На фиг.6а и 6б (поперечное сечение) изображен газовый лазер с зигзагообразным разрядным каналом. Лазер содержит источник 1 ВЧ накачки, заполненный рабочей газовой смесью корпус 2, зигзагообразный разрядный канал 3, а также зеркала 6, 7 оптического резонатора и дополнительные поворотные зеркала 13. Разрядная структура образована выемками 8 в заземленном электроде 5 и диэлектрическими пластинами 9 с потенциальными электродами 4. Вакуумно-плотные вводы 10 служат для подачи ВЧ возбуждения на потенциальные электроды (см. п.5 Формулы).

На фиг.7 показано сечение разрядной структуры с дополнительными каналами в заземленном электроде для конвекции рабочей смеси. Поперечное сечение выемки 8 в заземленном электроде 5 выполнено в виде треугольника, основанием которого является диэлектрическая пластина 9 с потенциальным электродом 4. Каналы могут быть выполнены в виде зазора 14 в центре заземленного электрода и дополнительных поперечных отверстий 15, связанных с буферным объемом газа в корпусе лазера. Подходы к решению этой задачи известны (см. п.8 Формулы).

Устройство работает следующим образом (см. фиг.1). При подаче ВЧ напряжения от источника 1 ВЧ накачки на потенциальный и заземленный электроды 4 и 5 соответственно в разрядном канале 3, заполненном рабочей газовой смесью, между электродами 4 и 5 зажигается ВЧ разряд. Диэлектрическая пластина 9, закрывающая выемку 8 в заземленном электроде 5, является распределенным балластным емкостным сопротивлением, стабилизирующим разряд, при этом отвод тепла из газового промежутка в основном происходит через стенки заземленного электрода 5. Высокоотражающее и светоделительное зеркала 6 и 7, соответственно, служат для получения генерации. Вывод лазерного излучения из резонатора осуществляется через светоделительное зеркало 7. Поскольку диэлектрическая пластина, установленная на заземленном электроде, не является несущей и не может повести основную металлическую структуру при тепловых перепадах, в конструкции устранены недостатки, связанные с различием температурных коэффициентов линейного расширения отдельных частей. При этом обеспечиваются минимальные искажения оптической структуры.

Секционирование потенциального электрода 4 вдоль его длины позволит выровнять распределение напряженности электрического поля вдоль разрядного канала 3, используя, например, секционированный источник 1 ВЧ накачки, и осуществить более равномерную и эффективную передачу мощности в разрядный канал 3.

Выбор длины потенциального электрода 4 меньше длины заземленного электрода 5 позволяет расположить плоские зеркала 6 и 7 резонатора практически вплотную к торцам разрядного канала 3 и при этом исключить возможность контакта поверхностей зеркал 6 и 7 с плазмой в разрядном канале 3. В случае волноводного резонатора света это дополнительно позволяет осуществить наиболее эффективное согласование плоских зеркал 6 и 7 резонатора с волноводом (разрядным каналом 3), расположив их вплотную к торцу волновода. Потенциальный электрод 4 может быть выполнен методом печатного монтажа на диэлектрической пластине 9.

Охлаждение лазерного излучателя может осуществляться путем прокачки хладагента через каналы в корпусе 2 или в заземленном электроде 5, а также путем воздушного принудительного обдува корпуса 2 с радиатором (не показаны).

Предлагаемая конструкция позволит повысить эффективность лазера за счет более интенсивного охлаждения разрядного канала, выполненного в основном из металла, через который проходит практически весь тепловой поток, что исключает возможность формирования радиальных градиентов температуры, формирования термических линз и понижения качества луча. Сокращение механических диэлектрических деталей облегчает сборку конструкции. Корпус и заземленный электрод могут быть выполнены методом экструзии (например, из алюминиевого сплава), что существенно упрощает и удешевляет изготовление лазера.

Пример конкретного исполнения.

Для подтверждения эффективности заявленного устройства на предприятии было изготовлено два макетных образца малогабаритных СО₂ лазеров в отпаянном исполнении по п.п.1 и 6 Формулы изобретения. Разрядный канал был образован выемкой, выполненной фрезерованием в заземленном электроде длиной 150 мм из алюминиевого сплава, и диэлектрической пластиной толщиной 1 мм из алюмооксидной керамики АИ-1, на которой располагался потенциальный электрод длиной 135 мм и шириной 1,5 мм. Сравнивались лазеры с различной формой разрядного канала. Поперечное сечение выемки в заземленном электроде лазера № 1 было выполнено в виде дуги диаметром 6 мм и глубиной 2,5 мм, а в заземленном электроде лазера № 2 - в виде прямоугольного треугольника также глубиной 2,5 мм. Площадь поперечного сечения разрядного канала лазера № 1 составила ˜11,2 мм², а лазера №2 ˜6,3 мм².

Лазеры комплектовались плоскими зеркалами. Выходное зеркало с коэффициентом отражения 92% было выполнено на подложке из селенида цинка, коэффициент отражения глухого зеркала на подложке из циркониевой бронзы 99,5%. Использовалась рабочая смесь CO₂:N₂:He:Xe=1:1:5:0,3 при давлении 60 мм рт.ст. Накачка лазеров осуществлялась от ВЧ генератора с рабочей частотой 81,36 МГц. Охлаждение лазеров - воздушное.

При частоте следования импульсов генерации 200 Гц и скважности импульсов ˜5 импульсная мощность излучения лазера №1 составила 5 Вт, а средняя мощность излучения 1 Вт. Для лазера №2 соответственно была получена импульсная мощность излучения 3 Вт при средней мощности 0,6 Вт. Оба лазера характеризует эффективное подавление высших поперечных мод и стабильное излучение на основной моде.

Процесс вклада энергии в активную среду лазера сопровождается существенными изменениями ее первоначального химического состава. В результате плазмохимических реакций в разряде, активизирующихся при нагреве активной среды, происходит уменьшение концентрации молекул CO₂ до значения, соответствующего определенному динамическому равновесию между процессами диссоциации и восстановления молекул СО₂ в газе, что приводит к снижению инверсии среды и мощности генерации. Снижение концентрации молекул CO₂ может достигать 50% и более.

Нанесение на поверхность выемки в заземленном электроде пленки каталитического стабилизатора газового состава позволяет существенно повысить уровень концентрации СО₂ непосредственно в активной среде. С повышением температуры эффективность стабилизатора газового состава резко возрастает, поэтому нагрев стабилизатора газового состава за счет тепла, выделяемого в разрядном канале, приводит к восстановлению значительной части продеградировавших молекул СО₂. Концентрация молекул CO₂ также несколько возрастает в результате газообмена с буферным объемом через каналы в заземленном электроде. Все эти процессы ведут к повышению мощности излучения и соответственно к увеличению удельного энергосъема.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет создавать эффективные газовые лазеры с ВЧ возбуждением, в частности компактные отпаянные СО₂ лазеры, для коммерческих и специальных применений. Положительным фактором конструкции является возможность повышения выходной мощности лазера без увеличения его продольных размеров, выполняя разрядный канал зигзагообразным (многосекционным).

Предлагаемое решение позволяет увеличить эффективность и лазера с волноводным разрядным каналом за счет устранения волноводных потерь в резонаторе, располагая плоские зеркала резонатора и при выполнении разрядного канала зигзагообразным дополнительные поворотные зеркала практически вплотную к торцам волновода.

Благодаря возможности расположения множества лазерных каналов в единой структуре конструкция позволяет создавать многофункциональные компактные многоканальные лазеры с независимым включением каналов.

По своим функциональным параметрам предложенное устройство может найти широкое использование, в частности, в системах лазерной локации, технологии и медицине. В настоящее время в соответствии с заявленным решением разработана конструкторская документация для мелкосерийного производства лазерных аппаратов низкоинтенсивной ИК-терапии.

Литература

1. Ю.П.Райзер и др. «Высокочастотный емкостной разряд: Физика. Техника эксперимента. Приложения» - М., 1995 г.

2. Труды Института общей физики АН СССР «Газовый разряд и волноводные молекулярные лазеры», т.17, 1989 г.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться при производстве газовых лазеров, возбуждаемых поперечным высокочастотным разрядом, при создании лазерной медицинской аппаратуры и лазерных технологических установок. Лазер с высокочастотным возбуждением включает источник высокочастотной накачки, корпус, разрядный канал, сформированный потенциальным и заземленным высокочастотными электродами, зеркала оптического резонатора. Заземленный электрод по всей его длине выполнен с выемкой. На выемке размещена диэлектрическая пластина. Потенциальный электрод расположен на внешней по отношению к выемке поверхности диэлектрической пластины. Ширина потенциального электрода меньше ширины выемки заземленного электрода. Технический эффект предложенного изобретения заключается в повышении эффективности лазера при одновременном упрощении устройства и технологии его изготовления. 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Газовый лазер с высокочастотным возбуждением, включающий источник высокочастотной накачки, корпус, заполненный рабочей газовой смесью, размещенный в корпусе, по меньшей мере, один разрядный канал, сформированный потенциальным и заземленным высокочастотными электродами, и зеркала оптического резонатора, отличающийся тем, что заземленный электрод по всей его длине выполнен c, по меньшей мере, одной выемкой, при этом на выемке размещена диэлектрическая пластина, а потенциальный электрод расположен на внешней по отношению к выемке поверхности диэлектрической пластины, причем ширина потенциального электрода меньше ширины выемки заземленного электрода.2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что заземленный электрод выполнен в виде пластины с выемками на двух ее противоположных сторонах.3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что заземленный электрод выполнен в виде многогранной фигуры с выемками на ее плоских боковых гранях.4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введено поляризационное устройство для сведения лазерных лучей, а заземленный электрод выполнен в виде фигуры со взаимно ортогональными плоскостями с выемками на них.5. Лазер по п.1, отличающийся тем, что выемка выполнена зигзагообразной, а в оптическом резонаторе дополнительно установлены поворотные зеркала.6. Лазер по п.1, отличающийся тем, что длина потенциального высокочастотного электрода выбрана меньше длины заземленного электрода.7. Лазер по п.1, отличающийся тем, что разрядный канал выполнен волноводным.8. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в заземленном электроде выполнены каналы для конвекции рабочей смеси.9. Лазер по п.1, отличающийся тем, что на поверхность выемки в заземленном электроде нанесена эррозионнозащитная пленка.10. Лазер по п.1, отличающийся тем, что на поверхность выемки в заземленном электроде нанесена пленка катализатора для регенерации рабочей смеси.