ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ВЧ-ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве CO₂ лазеров, возбуждаемых высокочастотным полем.

Известен CO₂ лазер с ВЧ возбуждением, содержащий цилиндрический корпус, в котором расположена разрядная структура, образованная двумя протяженными ВЧ электродами, выполненными в виде пластин. ВЧ электроды изолированы друг от друга набором диэлектрических проставок, которые с помощью болтов прикручены к боковым поверхностям ВЧ электродов. На один электрод подается ВЧ энергия, другой заземлен через два специальных крепежных штыря. Т.е. разрядная структура держится на двух штырях, один из которых прикручен к фланцу, на котором находится оптический элемент, а другой свободно входит в противоположный фланец со вторым оптическим элементом (см. пат. США №5140606, кл. 372/64, опуб. 1992 г.).

Данная конструкция лазера имеет низкую надежность при механических воздействиях. Это объясняется тем, что она представляет собой балку с жестким закреплением одного конца и свободным закреплением второго в продольном направлении и является неустойчивой к поперечному изгибу и изгибающим колебаниям, особенно в области промышленных частот 50-200 Гц. Взаимная фиксация верхнего и нижнего (заземленного) ВЧ электродов с помощью набора диэлектрических проставок не обеспечивает жесткого закрепления структуры в поперечном (горизонтальном) направлении.

Кроме того, наличие большого количества деталей крепления, определяющих геометрию разрядного канала и взаимное положение элементов оптического резонатора, требует прецизионной точности изготовления деталей, что приводит к значительному усложнению конструкции излучателя.

И, наконец, наличие такого количества крепежных соединений внутри герметизированного корпуса излучателя предъявляет повышенные требования к их обезгаживанию и может влиять в последующем на долговечность излучателя в целом.

Известна конструкция CO₂ лазера с ВЧ возбуждением, содержащая прямоугольный корпус с расположенной внутри разрядной структурой, образованной изолированными от корпуса ВЧ электродами. Разрядный канал сформирован четырьмя протяженными выступами ВЧ электродов, расположенными относительно друг друга с фиксированными зазорами в пределах 0,001-0,01 дюйма (0,0254-0,254 мм). Изолирование самих ВЧ электродов от заземленного корпуса осуществляется с помощью многочисленных малогабаритных проставок, позволяющих выдерживать зазор ≈0,1 дюйма. Такой зазор не позволяет возникнуть плазме газового разряда между изолированным ВЧ электродом и корпусом (см. пат. США №5953360, кл. 372/87, опуб. 14.09.1999 г.).

Недостатком известной конструкции является низкая надежность при механических воздействиях. Это объясняется следующим: каждый изолированный электрод, на который подается ВЧ энергия, по форме выполнен в виде вытянутой пластины, которая с одной стороны зафиксирована латунными шариками и самим ВЧ вводом, а с другой стороны «висит», образуя с двумя другими электродами разрядный канал. При механических воздействиях эти электроды склонны к резонансным изгибающим колебаниям в области промышленных частот (50-200 Гц), что может привести к смещению многочисленных диэлектрических проставок и, соответственно, к изменению зазоров не только в апертуре разрядного канала, но и в самих изолирующих зазорах.

Другим недостатком известной конструкции является не эффективное охлаждение. Это объясняется тем, что обязательное наличие гарантированного (0,001-0,002 дюйма) зазора между электродами и корпусом резко снижает эффективность теплоотвода, так как исключает прямой кондуктивный путь теплопередачи. Вследствие этого происходит перегрев рабочей смеси и снижение мощности излучения. Подобные конструкции работоспособны только при небольших удельных энерговложениях и увеличенных поперечных размерах разрядного канала. Наличие боковых зазоров в углах разрядного канала и возможность конвективного теплообмена при низких давлениях рабочей смеси малоэффективно. Все это снижает КПД лазера.

Рассматриваемые недостатки конструкции делают неоправданным ее усложнение и снижают эффект применения прогрессивной технологии цельнотянутых электродов и корпусных деталей.

Наиболее близким устройством к заявляемому изобретению является газовый лазер с ВЧ возбуждением, содержащий два разрядных канала прямоугольного сечения, каждый из которых образован ВЧ электродом, дополнительным заземленным электродом и диэлектрическими элементами, изолирующими каждый ВЧ электрод от заземленного электрода. Каждый ВЧ электрод имеет два прямоугольных выступа, которые входят в пазы диэлектрических элементов, контактирующих с заземленным электродом. Т.о. сформированы верхняя и нижняя разрядные структуры. Заземленный электрод, несущий элементы верхней и нижней разрядной структуры контактирует с корпусом, на который отводится тепло, выделяемое разрядными структурами. Верхняя и нижняя разрядные структуры в горизонтальной плоскости стягиваются несколькими пружинами, установленными в пазах заземленного электрода (см. пат. РФ №2065238, кл. Н01S 3/03, опубл. 10.08.1996 г. - прототип).

Недостатком известного лазера является то, что конструкция дополнительного заземленного электрода и разрядной структуры в целом не обеспечивает надежного теплового контакта между: диэлектрическими пластинами и дополнительным заземленным электродом, диэлектрическими пластинами и ВЧ электродом. Так как прижимные пружины действуют только в одном направлении, а не по всей длине дополнительного электрода, в перпендикулярном направлении прижим отсутствует, в результате ухудшается теплопередача от «горячих» ВЧ электродов на корпус. Кроме того, при таком способе сборки разрядной структуры не обеспечено равномерное прилегание всех трех контактирующих с дополнительным заземленным электродом граней каждой из четырех диэлектрических пластин. Это вызвано неизбежным разбросом поперечных размеров ВЧ электрода (в т.ч. выступов) и дополнительного электрода. Предлагаемый способ прижима в этом случае вызывает вращающий «опрокидывающий» момент, т.е. диэлектрическую пластину начинает «отрывать» от горизонтальной поверхности дополнительного электрода. Этот эффект усугубляется при воздействии на излучатель механических нагрузок, особенно большая вероятность «оторваться» от дополнительного заземленного электрода у нижней разрядной структуры, где добавляется масса деталей, образующих разрядную структуру. Ухудшение теплоотвода вследствие отслоения деталей разрядной структуры приводит к рассогласованию излучателя и источника питания из-за изменения емкости структуры, вызывает рост температуры ВЧ электродов, рабочей смеси и приводит к снижению мощности излучения и КПД лазера.

Необходимость изготовления прецизионных пазов в керамических пластинах изолятора и соответствующих выступов в ВЧ электродах, а также последующего совмещения - сборки с минимальными зазорами значительно усложняет технологию изготовления излучателя и требует дорогостоящей оснастки и оборудования.

Задача изобретения - увеличение КПД и надежности лазера при механических воздействиях.

Технический результат может быть получен за счет выполнения изолированного ВЧ электрода из трех (подвижных на момент сборки) составных частей: средней - в виде клина призматической формы и двух боковых - в виде клиньев со скошенными основаниями и заземленных электродов в виде сегментов со срезанными краями, обеспечивающих устранение зазоров и плотное прилегание элементов разрядной структуры к внутренней оболочке лазера при сборке и эксплуатации, что обеспечивает эффективное охлаждение разрядных каналов.

Указанный технический результат достигается тем, что в газовом лазере с ВЧ возбуждением, содержащем корпус, два разрядных канала, каждый из которых сформирован заземленным электродом, ВЧ электродом и диэлектрическими элементами, изолирующими ВЧ электрод от заземленного электрода, и зеркала, ВЧ электрод выполнен центральным и состоит из трех составных частей, средней в виде клина призматической формы и двух боковых клиньев со скошенными основаниями, каждая боковая часть имеет внутреннюю и внешнюю рабочие поверхности сходящиеся, под углом θ, средняя часть имеет две внутренние рабочие поверхности, сходящиеся под углом 2θ, ориентация углов сходящихся поверхностей, средней и двух боковых частей противоположна, а корпус выполнен с цилиндрической или частично цилиндрической внутренней оболочкой, контактирующей, по крайней мере, с одним заземленным электродом, имеющим в поперечном сечении вид сегмента со срезанными краями, при этом каждый разрядный канал образован двумя пазами, выполненными напротив друг друга на рабочей поверхности заземленного электрода и внешней рабочей поверхности боковой части центрального электрода, а диэлектрические элементы имеют вид цилиндров с малым диаметром и расположены по одному выше, ниже и с противоположных торцов разрядного канала, между рабочими поверхностями заземленного электрода и боковой части центрального электродов, причем длина диэлектрических цилиндров много меньше длины разрядного канала.

Кроме того, разрядный канал образован трапециевидными в сечении или полуэллипсными в сечении пазами.

А также, на рабочих поверхностях заземленного и боковой части центрального электродов выполнены дополнительные пазы, формирующие, по крайней мере, два дополнительных разрядных канала, а диэлектрические цилиндры расположены по одному выше, ниже и с противоположных торцов каждой пары разрядных каналов.

Кроме того, разрядный канал образован двумя треугольными или полусферическими в сечении пазами.

А также, один из заземленных электродов составляет единое целое с корпусом.

Кроме того, в одном из заземленных электродов выполнен продольный прямоугольный паз, образующий с близлежащим разрядным каналом изолирующий объем.

А также, в лазер введена система охлаждения, выполненная в виде расположенных в средней части центрального электрода, двух, соединенных между собой, каналов охлаждения, один из которых контактирует с двумя гидротрактами притока и оттока хладагента, каждый гидротракт включает последовательно соединенные втулку - гайку, закрепленную на средней части центрального электрода, сильфон, керамический изолятор, закрепленный на корпусе лазера выжимным узлом, переходник и штуцер для подключения шлангов охлаждения.

Такое конструктивное выполнение лазера позволит при расклинивании (сборке) средней части центрального электрода, убрать все зазоры и обеспечить эффективное охлаждение разрядных каналов, а также повысить устойчивость к механическим воздействиям. Кроме того, выполнение у боковых частей центрального электрода рабочих поверхностей, сходящихся под углом в два раза меньше, чем угол сходящихся поверхностей средней части, обеспечивает параллельность внешних рабочих поверхностей боковых частей центрального электрода.

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 позволил 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 была бы повышена надежность и КПД, за счет конструктивного выполнения изолированного ВЧ и заземленных электродов, обеспечивающих эффективное охлаждение разрядных каналов.

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

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показано поперечное сечение CO₂ лазера с ВЧ возбуждением.

На фиг.2 показан в изометрии заземленный электрод-сегмент со срезанными краями.

На фиг.3 показана в изометрии средняя часть центрального электрода.

На фиг.4 показана в изометрии боковая часть центрального электрода.

На фиг.5 схематично показан оптический резонатор СО₂ лазера с ВЧ возбуждением.

На фиг.6 показано поперечное сечение СО₂ лазера и поясняется пункт 5 формулы изобретения.

На фиг.7 показана часть поперечного сечения СО₂ лазера и поясняется пункт 4 формулы.

На фиг.8 показано поперечное сечение CO₂ лазера и поясняется пункт 3 формулы.

На фиг.9 схематично показан оптический резонатор CO₂ лазера и поясняется пункт 3 формулы.

На фиг.10 показано сечение СО₂ лазера и поясняется пункт 2 формулы.

На фиг.11 показан оптический резонатор СО₂ лазера и поясняется пункт 2 формулы.

На фиг.12 показано поперечное сечение СО₂ лазера и поясняется пункт 6 формулы.

На фиг.13 показан оптический резонатор и поясняется пункт 6 формулы.

На фиг.14 показана часть поперечного сечения СО₂ лазера и поясняется пункт 2 формулы.

На фиг.15 показано поперечное сечение с установленной системой охлаждения центрального изолированного электрода и поясняется пункт 7 формулы.

На фиг.16 показан установленный на средней части центрального электрода гидротракт.

На фиг.17 показана схема охлаждения средней части центрального электрода.

На фиг.18 показана в изометрии средняя часть центрального электрода с расположенными на верхнем основании выравнивающими катушками индуктивности.

На фиг.19 показаны в изометрии элементы разрядной структуры и сопутствующие детали.

На фиг.20 показан этап сборки разрядной структуры.

На фиг.21 показан этап размещения разрядной структуры в корпусе.

На фиг.22 показан этап сборки разрядной структуры перед операцией расклинивания.

На фиг.23 показан этап сборки разрядной структуры перед окончательной фиксацией средней части центрального электрода.

На фиг.24 показан один из рычагов выжимного узла.

На фиг.25 показано предохранительное кольцо выжимного узла.

На фиг.26 показана оснастка для расклинивания средней части центрального электрода.

СО₂ лазер с ВЧ возбуждением содержит корпус 1 с цилиндрической (фиг.1, 8) или частично цилиндрической (фиг.6, 15), внутренней оболочкой; заполненной рабочей смесью.

Центральный изолированный электрод состоит из трех составных частей: двух боковых 2, 3, выполненных в виде клиньев со скошенными основаниями и средней части 4, выполненной в виде клина призматической формы. Средняя часть 4 центрального электрода имеет в сечении равнобочную трапецию (фиг.3). Каждая боковая часть (фиг.4) выполнена с внешней и внутренней рабочими поверхностями, сходящимися под углом θ, а средняя часть (фиг.3) имеет две внутренние поверхности, сходящиеся под углом 2θ, и два основания - верхнее 5 и нижнее 6, имеющее выемку. Такое выполнение углов клиновидных деталей - двух боковых и средней частей, обеспечивает параллельность внешних рабочих поверхностей боковых частей центрального электрода. Внутри корпуса лазера расположены два разрядных канала 7, 8, каждый из которых образован треугольными пазами, выполненными во внешней рабочей поверхности боковой части 2, 3 центрального электрода и в рабочей поверхности заземленного электрода 9, 10, имеющего в поперечном сечении вид сегмента со срезанными краями (фиг.1, 2, 4). При этом пазы расположены напротив друг друга, а цилиндрическая поверхность сегментных со срезанными краями электродов 9, 10, контактирует с цилиндрической поверхностью внутренней оболочки корпуса.

Диэлектрические цилиндры малого диаметра 11 (цилиндрики) (фиг.1, 2, 4) изолируют центральный ВЧ электрод от заземленных электродов, при этом ширина зазора (фиг.1) между сегментным со срезанными краями электродом и боковой частью центрального электрода, выбрана из условия, что в зазоре не будет существовать плазма газового разряда.

Каналы 12 (фиг.1), выполненные в корпусе 1, служат для отвода тепла, выделяемого разрядными каналами 7, 8.

ВЧ энергия от ВЧ генератора 13 подается через ВЧ ввод 14, который изолирован от корпуса изолятором 15, на среднюю часть 4 центрального электрода. Кроме того, на верхнем основании 5 средней части 4 центрального электрода располагаются выравнивающие катушки индуктивности 16 (фиг.18).

На торцах корпуса лазера установлены герметичные фланцы, несущие оптические элементы 17, 18, которые образуют складной «П-образный» резонатор (фиг.5). Зеркала 18 - высокоотражающие, зеркало 17 - светоделительное (выходное).

В частном случае (пункт 5 формулы) один из заземленных электродов составляет единое целое с корпусом лазера (фиг.6).

В частном случае, представленном на фиг.7, разрядные каналы, например 19, образованы двумя полусферическими в сечении пазами (пункт 4 формулы).

В другом частном случае (пункт 3 формулы) показан СО₂ лазер, имеющий более двух разрядных каналов (фиг.8). При этом в каждом заземленном сегментном со срезанными краями электроде 9, 10 (фиг.8) и соответствующей боковой части центрального электрода выполнены по два треугольных в сечении паза, которые образуют 4 разрядных канала 20, 21. Соответствующий оптический резонатор показан на фиг.9.

В другом случае на каждом заземленном сегменте со срезанными краями электроде (фиг.10) и соответствующей боковой части центрального электрода выполнены трапециевидные в сечении пазы, которые образуют щелевые разрядные каналы 22, 23 (пункт 2 формулы). Соответствующий щелевой оптический резонатор показан на фиг.11. Он образован сферическими зеркалами 24, 25, плоскими 26 и полупрозрачным выходным зеркалом 27.

В другом частном случае (пункт 6 формулы) показан щелевой лазер (фиг.12), имеющий один разрядный канал 28 и прямоугольный паз 29, выполненный в заземленном электроде 9, образующий изолирующий объем 30, в котором плазма газового разряда не образуется. Соответствующий оптический резонатор представлен на фиг.13 зеркалами 24, 25, 27.

На фиг.14 показана часть поперечного сечения щелевого лазера, в котором разрядный канал 31 образован полуэллипсными в сечении пазами (пункт 2 формулы).

При больших тепловыделениях в лазере, например когда число каналов 4 или в случае щелевого варианта лазера, необходимо кроме корпуса лазера, охлаждать центральный ВЧ электрод (фиг.15). Для этого, на средней части центрального электрода, имеющей каналы охлаждения 32, на верхнем ее основании устанавливаются гидротракты 33 (фиг.16). Схема охлаждения средней части центрального электрода приведена на фиг.17. На верхнем основании средней части центрального электрода, кроме размещенных гидротрактов (фиг.15), подсоединенного ВЧ ввода 14 (фиг.1), установлены также и выравнивающие катушки индуктивности 16 (фиг.18).

Технология сборки предлагаемой конструкции лазера осуществляется следующим образом:

1. В прорезь сегментного со срезанными краями электрода 10 с двух торцов кладут калиброванный цилиндр 34 и рядом две калиброванные пластины 35, а сверху - боковую часть 2 центрального электрода (фиг.19). Цилиндр 34 необходим для совмещения треугольных пазов, а пластины 35 отвечают за необходимый зазор между сегментным со срезанными краями электродом и боковой частью 2.

2. Собранная структура сжимается в струбцинах (фиг.20).

3. С торцов структуры высверливаются по два отверстия 36 на не большую глубину, куда должны будут войти по плотной посадке диэлектрические цилиндры 11 (фиг.20).

4. Снимаются струбцины и цилиндр 34 с пластинами 35. Электроды зачищаются после сверления.

5. На сегментный со срезанными краями электрод, в полученные пазы кладутся диэлектрические цилиндры 11, на них боковая часть центрального электрода и собранную структуру размещают в корпусе 1 (фиг.21), где с помощью оснастки, например пружин 37 и держателей 38, 39, ее фиксируют относительно корпуса.

Аналогичные операции проводят со второй структурой.

6. На средней части центрального электрода, на его верхнем основании 5, размещают вертикально выравнивающие катушки индуктивности 16, на одном конце которых впаян специальный болт 40 с внутренней 41 и внешней резьбой 42 (фиг. 18).

7. В частном случае (п.5 формулы) устанавливается система охлаждения центрального электрода.

7.1. C торцов средней части центрального электрода выполняют вертикальные, не сквозные отверстия 43, для соединения между собой охлаждаемых каналов 32 (фиг.17).

7.2. На верхнем основании 5 средней части центрального электрода устанавливают первый гидротракт 33 (фиг.16), состоящий из последовательно соединенных: гайки - втулки 44, сильфона 45, цилиндра 46, керамического изолятора 47, переходного цилиндра 48 с внешней резьбой (фиг.16). Керамический изолятор 47 имеет шляпку 49 и паз 50.

Средняя часть 4 центрального электрода с установленными на ней гидротрактами 33 должна свободно размещаться в корпусе 1 лазера, для чего необходим зазор «h» (фиг.15, 16).

7.3. С торца охлаждаемого канала 32 закладывают перемычку 51 (фиг.17).

7.4. Устанавливают второй гидротракт 33 (фиг.17).

7.5. Устанавливают заглушки 52 на охлаждаемых каналах (фиг.17).

7.6. На внутреннюю поверхность шляпок гидротрактов кладут уплотняющий элемент 53 - тефлоновое кольцо (фиг.16).

8. Средняя часть 4 центрального электрода с расположенными на ней катушками индуктивности и гидротрактами вставляется в корпус 1 лазера (фиг.22).

9. Через прямоугольное отверстие 54 на верхней поверхности корпуса вставляется оснастка 55 и вкручивается во внутреннюю резьбу специального болта 40, расположенного на катушке индуктивности 16 (фиг.22). В средней части специальный болт имеет прямоугольное сечение 56 (фиг.18).

10. Специальные болты катушек индуктивности с помощью оснасток 55 выводятся в прямоугольные отверстия корпуса. Выдвигаются также в отверстия два гидротракта 33. В этом случае средняя часть 4 центрального электрода встает между боковыми частями 2, 3 центрального электрода (фиг.23).

11. Герметизируют гидротракты с помощью выжимного узла, состоящего из предохранительного кольца 57, рычагов 58 и болтов 59. Вводят рычаги 57 в паз 50 керамического изолятора 33 (фиг.15) и начинают равномерно затягивать болты 59 до гарантированной герметизации сопрягающихся поверхностей: шляпки 49 и внутренней поверхности корпуса лазера, осуществляемой деформируемым тефлоновым кольцом 53 (фиг.15, 16). Кольцо 57 предохраняет корпус от деформации и не дает возможность сдвигаться рычагам 58 при затяжке болтов 59.

12. Выкручивают оснастку 55 из болтов 40 катушек индуктивности 16 и закручивают герметизирующие колпачки 60 на внешнюю резьбу болтов 40 (фиг.23). Снимают оснастки с торцов разрядных структур и корпуса лазера.

13. С помощью регулируемой оснастки с протяженной ручкой (фиг.26) осуществляют расклинивающее действие средней части центрального ВЧ-электрода. Для этого вставляют оснастку внутрь корпуса между нижним основанием 6 средней части центрального электрода 4 и внутренней поверхностью корпуса. Выполненная в основании 6 средней части 4 центрального электрода выемка предназначена для прохождения по ней роликов оснастки, показанной на фиг.26, при расклинивании элементов структуры. Протаскивают оснастку через излучатель несколько раз, при этом уширяют каждый раз подвижные части оснастки 61, 62 с помощью регулировочного винта 63 до полного расклинивания средней части центрального ВЧ-электрода и других элементов структуры.

14. В стыке поверхностей каждой боковой части и средней части центрального электрода высверливают отверстия 64 на небольшую глубину (фиг.23), куда впрессовывают AL цилиндры (заклепки) 65 или вкручивают саморезы.

15. Окончательно герметизируют гидротракты, вкручивая на переходной цилиндр штуцер 66 (фиг.15).

16. Устанавливают и герметизируют ВЧ ввод (фиг.1).

17. Устанавливают торцевые фланцы и производят юстировку зеркал резонатора.

Устройство работает следующим образом:

ВЧ напряжение от ВЧ генератора 13 (фиг.1) подается через ВЧ ввод 14 на центральный ВЧ электрод на его среднюю часть 4, которая имеет плотный контакт с боковыми частями 2, 3. В результате в разрядных каналах 7, 8 зажигается разряд, а на выходе лазера появляется генерация. В частном случае (пункт 6 формулы) в лазере, где один из сегментных со срезанными краями электродов имеет изолирующий объем 30 (фиг.12), разряд зажигается только в канале 28. Боковые части 2, 3 центрального электрода изолированы от заземленных электродов 9, 10 зазором, который определяется диэлектрическими цилиндрами 11. Величина этого зазора 0,2÷0,25 мм. В этом зазоре плазма газового разряда не образуется и причиной этого является то, что стационарный тлеющий разряд может существовать при заданном (оптимальном) давлении Р рабочей смеси только при определенном значении межэлектродного расстояния d и соответствующей величине приложенного электрического поля Е, определяемой вкладываемой ВЧ энергией. Соотношения указанных величин определяются кривой Пашена, в частности должно оставаться постоянным произведение P×d. Рабочая величина d соответствует межэлектродному расстоянию и поэтому разряд не возникает ни в малых (по сути изолирующих) зазорах, ни в больших полостях. Для устранения возможности возникновения паразитных разрядов при переходе от рабочего зазора к нерабочим, место их стыков (углы, границы, кромки) выполнены со специальными фасками, срезами и округлениями.

Особенностью существующих СО₂ лазеров с ВЧ возбуждением является то, что плазма газового разряда заполняет весь межэлектродный объем, за исключением тонких слабопроводящих приэлектродных слоев. Учитывая малую толщину приэлектродных слоев и высокие постоянные напряжения на них, в слоях появляются вторичные электроны, эммитируемые поверхностью электродов. Эти электроны ускоряются в поле приэлектродных слоев и обеспечивают дополнительную ионизацию в плазме, при этом понижается напряженность плазмы в прилегающих приэлектродных слоях. Это и является одной из причин получения больших мощностей СО₂ лазеров с ВЧ возбуждением. С точки зрения создания приэлектродных слоев в предлагаемой конструкции наиболее оптимальной формой разрядного канала является прямоугольная с квадратным сечением или цилиндрическая с круглым сечением, образованные соответственно двумя треугольными или полусферическими в сечении пазами (пункт 4 формулы) (фиг.1, 6, 7, 8) и соответственно в щелевом варианте исполнения - разрядный канал образован двумя трапециевидными или полуэллипсными в сечении пазами (фиг.10, 12, 14).

Предлагаемая конструкция позволит повысить надежность лазера при механических воздействиях и КПД за счет выполнения центрального (изолированного) электрода из трех составных частей - средней, имеющей в поперечном сечении вид клина призматической формы и двух боковых, имеющих в поперечном сечении вид клиньев со скошенными основаниями и двух заземленных электродов, выполненных в виде сегментов со срезанными краями.

Расклинивающее действие средней части 4 (фиг.1) центрального электрода (на момент сборки структуры) при движении вверх дает значительный выигрыш в силе: при малых углах θ и коэффициенте трения 0,1, поперечная сила расклинивания может превышать в 4-5 раз вертикальную силу, приложенную к нижнему основанию 6 средней части 4 центрального электрода. При этом существенная роль сегментов со срезанными краями, которые за счет своей цилиндрической поверхности и цилиндрической поверхности корпуса при расклинивающем действии средней части центрального электрода занимают то положение, при котором отсутствуют зазоры в структуре собираемого лазера.

В ряде вариантов исполнения предлагаемой конструкции, например при размещении внутри корпуса выравнивающих катушек индуктивности (фиг.23) или подвода к средней части центрального электрода хладагента (фиг.15), внутренняя поверхность корпуса может вытянуться по горизонтали или вертикали, или когда один из заземленных электродов (фиг.6) составляет единое целое с корпусом, т.е внутренняя оболочка корпуса становится частично цилиндрической. Наличие цилиндрической поверхности корпуса в месте контакта с цилиндрической поверхностью заземленных электродов является необходимым условием предлагаемой конструкции.

Еще одним положительным моментом предлагаемой конструкции является следующее. Прогрессивным методом в разработке и изготовлении лазеров является применение протяженных профилей из AL сплавов, изготовленных методом экструзии. Из таких профилей изготавливаются корпуса, ВЧ электроды и т.д.

Однако AL профили, полученные таким методом, имеют разброс в поперечном сечении, который зависит от многих параметров, например от точности компонент AL сплава, температуры окружающего воздуха, точности скорости вытяжки профиля и т.д. Обычно заводы-изготовители дают разброс по сечению в пределах +0,5 мм. Такой разброс требует дополнительной дорогостоящей шлифовки деталей собираемого лазера. В предлагаемой конструкции на момент сборки за счет расклинивающего действия средней части центрального ВЧ-электрода и подвижки сегментов со срезанными краями, все зазоры, связанные с разбросом при изготовлении ВЧ-электродов методом экструзии, автоматически устраняются, т.е. детали собираемой структуры «сами» выбирают технологические зазоры.

В частном случае, на момент сборки, система расклинивания средней части центрального ВЧ-электрода и подвижка заземленных электродов будут работать и при условии, что один из сегментов со срезанными краями электродов, будет составлять единое целое с корпусом. В этом случае роль двух заземленных электродов будет выполнять один электрод 10 (фиг.6).

В частном случае (фиг.15) (пункт 7 формулы) выполнение центрального электрода охлаждаемым, позволит значительно повысить выходную мощность и КПД лазера, т.к. корпус, заземленные электроды и три составные части центрального электрода выполнены из хорошо проводящего металла - Al. У корпуса и разрядных структур протяженные контактирующие поверхности, которые после операции расклинивания находятся в плотном контакте. Т.е. эффективность съема тепла, выделяемого разрядными каналами, высока.

Предлагаемая конструкция позволяет создать параметрический ряд лазеров с разным уровнем мощности:

20-25 Вт - фиг.1, фиг.6 (пункт 1 формулы).

50-60 Вт - фиг.7 (пункт 3 формулы).

100-150 Вт - фиг.12 (пункт 6 формулы).

200-250 Вт - фиг.10 (пункт 2 формулы).

Т.о. предлагаемая конструкция позволит создать лазер, устойчивый механическим воздействиям, с высоким КПД и упрощенной конструкции, связанной с изготовлением ВЧ электродов и корпуса из AL профилей, не требующих прецизионного изготовления, а так же простой технологической сборки.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве CO₂ лазеров, возбуждаемых высокочастотным полем. Лазер содержит корпус, в котором расположены два разрядных канала, каждый из которых сформирован заземленным электродом, ВЧ электродом и диэлектрическими элементами. ВЧ электрод выполнен центральным и состоит из трех составных частей. Каждая боковая часть имеет внутреннюю и внешнюю рабочие поверхности, сходящиеся под углом θ. Средняя часть имеет две внутренние рабочие поверхности, сходящиеся под углом 2θ. Корпус выполнен с цилиндрической или частично цилиндрической внутренней оболочкой. Каждый разрядный канал образован двумя пазами, выполненными напротив друг друга на рабочей поверхности заземленного электрода и внешней рабочей поверхности боковой части центрального электрода. Технический результат - увеличение КПД и надежности лазера, эффективное охлаждение разрядных каналов, повышение устойчивости к механическим воздействиям. 6 з.п. ф-лы, 26 ил.

1. Газовый лазер с ВЧ-возбуждением, содержащий корпус, в котором расположены два разрядных канала, каждый из которых сформирован заземленным электродом, ВЧ-электродом и диэлектрическими элементами, изолирующими ВЧ-электрод от заземленного электрода и зеркала, отличающийся тем, что ВЧ-электрод выполнен центральным и состоит из трех составных частей, средней в виде клина призматической формы и двух боковых клиньев со скошенными основаниями, каждая боковая часть имеет внутреннюю и внешнюю рабочие поверхности, сходящиеся под углом θ, средняя часть имеет две внутренние рабочие поверхности, сходящиеся под углом 2θ, ориентация углов сходящихся поверхностей, средней и двух боковых частей противоположна, а корпус выполнен с цилиндрической или частично цилиндрической внутренней оболочкой, контактирующей, по крайней мере, с одним заземленным электродом, имеющим в поперечном сечении вид сегмента со срезанными краями, при этом каждый разрядный канал образован двумя пазами, выполненными напротив друг друга на рабочей поверхности заземленного электрода и внешней рабочей поверхности боковой части центрального электрода, а диэлектрические элементы имеют вид цилиндров с малым диаметром и расположены по одному выше, ниже и с противоположных торцов разрядного канала, между рабочими поверхностями заземленного и боковой частью центрального электродов, причем длина диэлектрических цилиндров много меньше длины разрядного канала.2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что разрядный канал образован трапециевидными или полуэллипсными в сечении пазами.3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что на рабочих поверхностях заземленного и боковой части центрального электродов выполнены дополнительные пазы, формирующие, по крайней мере, два дополнительных разрядных канала, а диэлектрические цилиндры расположены по одному выше, ниже и с противоположных торцов каждой пары разрядных каналов.4. Лазер по п.1 или 3, отличающийся тем, что разрядный канал образован двумя треугольными или полусферическими в сечении пазами.5. Лазер по п.1, отличающийся тем, что один из заземленных электродов составляет единое целое с корпусом.6. Лазер по п.2, отличающийся тем, что в одном из заземленных электродов выполнен продольный прямоугольный паз, образующий с близлежащим разрядным каналом изолирующий объем.7. Лазер по любому из пп.1, 3, 5, 6, отличающийся тем, что введена система охлаждения, выполненная в виде расположенных в средней части центрального электрода двух соединенных между собой каналов охлаждения, один из которых контактирует с двумя гидротрактами притока и оттока хладоагента, каждый гидротракт включает последовательно соединенные втулку - гайку, закрепленную на средней части центрального электрода, сильфон, керамический изолятор, закрепленный на корпусе лазера выжимным узлом, переходник и штуцер для подключения шлангов охлаждения.