АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ ГАЛОГЕНИДА МЕТАЛЛА Российский патент 2011 года по МПК H01S3/03 H01S3/227 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке активных элементов лазеров на парах галогенидов металлов, например, бромида меди.

В традиционных лазерах на парах чистых металлов кусочки металла закладываются в рабочий канал газоразрядной трубки [Исаев А.А., Казарян М.А., Петраш Г.Г. Эффективный импульсный лазер на парах меди с высокой средней мощностью генерации. // Письма в ЖЭТФ. - 1972. - Т.16. - Вып.1. - С.40-42], представляющий собой керамическую трубку, которая в свою очередь помещается в теплоизолятор. Вся эта конструкция находится в кварцевой оболочке. Чтобы создать необходимое давление паров металла нужно разогреть рабочий канал за счет энергии, выделяющейся в разряде до температуры 1500-1700°C. Именно такие температуры определяют сложность конструкции активных элементов лазеров на парах чистых металлов.

В настоящее время известны два типа низкотемпературных лазеров на парах металлов, а точнее на солях металлов - это лазеры на парах галогенидов металлов (ЛПГМ) [Исаев А.А., Казарян М.А., Леммерман Г.Ю., Петраш Г.Г. Импульсная генерация на переходах атома меди в разряде в парах бромистой и хлористой меди. Квантовая электроника. 1976. Т.3. №8. С.1800-1803] и гибридные лазеры [Jones D.R., Sabotinov N.V., Maitland A., Little СЕ. A high-power high-efficiency Cu-Ne-HBr (λ=510.6. 578.2 nm) laser. Optics Communications. 1992. Vol.94. №4. P.289-299]. Рабочая температура этих лазеров составляет 600-650°С. Это позволяет значительно упростить конструкцию активного элемента, используя в качестве рабочего канала кварц.

Известны отпаянные газоразрядные трубки ЛПГМ [US №4635271, 1987]. Рабочее вещество - галогенид металла в таких лазерах размещается в отдельных отростках. Рабочий канал утепляется теплоизолятором, чтобы достичь рабочей температуры. На электроды подается импульсное напряжение и в газоразрядной трубке активного элемента лазера, который наполнен буферным газом неоном, зажигается разряд. Рабочий канал разогревается до температуры 600-650°C, после чего включаются нагреватели. Они нагревают отдельные отростки с галогенидом металла до температуры 450-550°C, чтобы создать рабочее давление паров галогенида металла. В разряде молекулы галогенида металла диссоциируют на пары металла и галогена, а уже после этого происходит возбуждение атомов металла разрядом (соударение с электронами) и появляется генерация.

Несмотря на то, что ЛПГМ с отростками могут работать в отпаянном режиме, они имеют свои недостатки. Срок службы активных элементов ЛПГМ с отростками значительно уступает сроку службы их высокотемпературным аналогам в парах чистых металлов. Не в последнюю очередь это связано с загрязнением электродов рабочим веществом. Кроме этого, имеются сложности с поддержанием градиента температур рабочего канала и находящихся рядом с ним отростков с галогенидом металла. Поскольку их температура отличается на 100-200°C, то изменение температуры рабочего канала может привести к изменению температуры отростков с галогенидом металла и, следовательно, неконтролируемому поступлению рабочего вещества в рабочий канал.

Известно лазерное устройство на парах металла [RU 2115204 С1, 1998], содержащее лазерную трубку, средство для введения галоидного соединения металла в лазерную трубку из камеры и средство для диссоциации галоидного соединения металла для получения паров металла для использования в лазерном процессе, при этом оно содержит средство для пропускания галоидного газа или газа донора галоида над поверхностью металла в камере, выполненной с возможностью получения галоидного соединения металла. Металл может содержаться внутри камеры или составлять поверхность самой камеры.

Конструкция получается громоздкой, поскольку вся система состоит из активного элемента и отдельной камеры для образования галогенида металла. Кроме этого, требуется наличие баллонов с инертным газом и галогеном (галогеноводородом), а также устройства для улавливания отработанного рабочего вещества. Прокачной принцип работы ограничивает широкое практическое применение этих лазеров.

Известно [GB 2219128] лазерное устройство на парах металла, включающее оболочку, имеющую продольную ось и содержащую негазообразный металл, и средства, позволяющие пропускать галогеновый газ через оболочку над поверхностью металла, чтобы произвести галогенид металла в ней, который затем под нагревом испаряется и диссоциирует.

Лазерное устройство на парах металла в отпаянном режиме включает оболочку, имеющую продольную ось и поверхности негазообразного металла, два окна, каждое окно находится у одного из концов оболочки, и средства для герметизации оболочки, внутри которой на поверхности металла формируется галогенид металла и в которой перед работой лазера галогеновый газ располагают так, чтобы он протекал над поверхностью металла, чтобы произвести галогенид металла.

Недостатки те же, что и в предыдущем случае для прокачной системы, только без камеры для образования галогенида металла. Но в этом случае появляются такие дополнительные устройства, как регулятор давления подаваемого газа и контроллер, управляющий им.

По второй части патента, касающейся отпаянного варианта, стоит сказать, что это аналог лазера на парах галогенида металла с галогенидом металла не в отростках, а прямо в рабочем канале. В кварцевой оболочке располагается медная трубка. По мере того как через нее пропускается HBr (он диссоциирует в разряде на H и Br) происходит наработка (образование) бромида меди на стенках медной трубы (при взаимодействии брома и меди). После этого газоразрядная трубка перекрывается, и лазер начинает работать в отпаянном режиме.

Однако недостатками такой системы является то, что расположение галогенида металла в рабочем канале может приводить к неустойчивости разряда. К тому же расположение металлической (медной) трубки в кварцевой оболочке в непосредственном контакте с разрядом в отдельных случаях (опять же в случае неустойчивого режима разряда) может приводить к замыканию на нее разряда и срыву генерации. Для достижения максимальных генерационных характеристик лазера необходимо, чтобы температура стенки газоразрядной трубки составляла 600-650°C, а в данном случае она будет определяться температурой плавления бромида меди 450-550°C, при которой создается необходимое давление паров галогенида металла.

Задачей изобретения является получение генерации в парах металлов с образованием паров галогенида металла в рабочем канале отпаянного активного элемента лазера непосредственно во время его работы.

Технический результат: удобные в эксплуатации активные элементы лазера на парах галогенида металлов с большим сроком службы.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что, как и известный предлагаемый активный элемент лазера на парах галогенида металла содержит вакуумно-плотную оболочку с выходными окнами на торцах, и, по меньшей мере, с двумя электродами на ее концах, внутри вакуумно-плотной оболочки в области рабочего канала размещены кусочки металла.

Новым является то, что активный элемент дополнительно содержит, по меньшей мере, один генератор галогена для образования галогенида металла в рабочем канале вакуумно-плотной оболочки.

Кроме того, генератор галогена, выполнен в виде, по меньшей мере, одной дополнительной емкости, полость которой соединена с полостью вакуумно-плотной оболочки и заполнена либо адсорбентом, насыщенным газообразным галогеном, таким как бром или хлор, либо в ней размещен галоген, находящийся в твердой фазе, например, йод.

Кроме того, дополнительная емкость расположена на одном из концов вакуумно-плотной оболочки в области между электродом и выходным окном и выполнена в виде цилиндрического отростка, непосредственно соединяющегося с полостью вакуумно-плотной оболочки.

Кроме того, дополнительная емкость расположена в области рабочего канала вакуумно-плотной оболочки и выполнена в виде цилиндрического отростка, соединяющегося с рабочим каналом с помощью отвода из вакуумно-плотной оболочки.

Кроме того, кусочки металла расположены периодично по всей длине рабочего канала.

Кроме того, металл - это медь, золото, свинец или марганец.

Кроме того, рабочий канал вакуумно-плотной оболочки наполнен буферным газом, например, неоном.

Кроме того, в качестве адсорбента использован, например цеолит.

Кроме того, дополнительная емкость снабжена контролируемым и управляемым автономным нагревателем.

Кроме того, рабочий канал обмотан слоем теплоизолятора, например, каолиновой ватой.

Кроме того, электроды, имеющие кольцевую форму, размещены коаксиально на концах вакуумно-плотной оболочки и изолированы от активной среды стенкой вакуумно-плотной оболочки.

Предлагаемый в настоящем изобретении способ основан на использовании генератора галогена, который представляет собой емкость, заполненную адсорбентом, например, цеолитом. Генератор снабжен нагревательным элементом для создания необходимой концентрации галогена в рабочем канале газоразрядной трубки (вакуумно-плотной оболочки). Генератор галогена работает по принципу молекулярного сита. Подбирается адсорбент, например, цеолит с размером пор достаточным для адсорбции галогенов - брома и хлора. Поскольку йод представляет собой кристаллическое вещество, то он помещается в емкость для цеолита непосредственно в твердом виде. Генератор галогена (брома и хлора) нагревается для дегазации в вакууме при температуре 400-550°C, затем емкость с адсорбентом охлаждается и адсорбент насыщается галогеном. Далее при работе активного элемента лазера для получения требуемой концентрации галогена адсорбент термостатируют при температуре, соответствующей требуемому давлению галогена над цеолитом. При охлаждении адсорбент обратимо адсорбирует галоген. Таким образом, меняя температуру нагревания, можно легко управлять концентрацией галогена в рабочем канале лазера.

Галогенид металла образуется непосредственно в рабочем канале, в отличие от обычных лазеров на галогенидах металлов, в которых галогенид металла готовится отдельно и потом загружается в вакуумно-плотную оболочку. Появляется возможность регулирования паров галогена с низкой температурой 70-150°C, что гораздо ниже температуры отростков с галогенидом металла в обычных ЛПГМ - 450-550°C.

Одним из преимуществ такого технического решения является простота и безопасность в получении безводных галогенидов.

Уменьшается время выхода на рабочий режим по сравнению с ЛПГМ с отростками для галогенида металла, поскольку рабочая температура емкости с цеолитом значительно ниже температуры отростков с галогенидом металла в ЛПГМ.

При расположении генератора галогена в области вакуумно-плотной оболочки между электродом и выходным окном он представляет собой емкость в виде цилиндрического отростка, непосредственно соединяющегося с полостью оболочки. В случае расположения его в зоне рабочего канала он представляет собой цилиндрический отросток, который для устранения непосредственного контакта с рабочим каналом (с целью создания более холодной зоны) соединяется с ним с помощью отвода из кварцевой трубки. Такое расположение позволяет независимо от температуры рабочего канала регулировать давление галогена.

В системе для возбуждения активной среды мы используем барьерный разряд емкостного типа. Для реализации такого типа разряда электроды располагаются с внешней стороны вакуумно-плотной оболочки, тем самым исключается возможность их загрязнения рабочим веществом и приводит к увеличению срока службы активного элемента. Упрощаются условия накачки, т.е. в таком разряде токи небольшие и коммутатор в схеме накачки работает в облегченном режиме. Помимо этого отпадает необходимость использования накопительных емкостей, поскольку электроды имеют собственную емкость.

Т.е. мы считаем, что использование предложенного способа получения генерации в солях металлов с использованием для их возбуждения емкостного разряда позволит создать удобные в эксплуатации активные элементы с большим сроком службы.

Благодаря отпаянному режиму работы в отличие от гибридных лазеров такая система становится мобильной.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами:

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого активного элемента с расположением генератора галогена по центру рабочего канала.

На фиг.2 приведена конструкция предлагаемого активного элемента с расположением генератора галогена в области вакуумно-плотной оболочки между электродом и выходным окном.

На фиг.3 приведен генератор галогена, выполненный в виде емкости, в которой размещен цеолит, насыщенный бромом или хлором.

На фиг.4 приведен генератор галогена, выполненный в виде емкости, в которой размещен йод.

Предлагаемый активный элемент (фиг.1 и фиг.2) содержит кварцевую (вакуумно-плотную) оболочку 1, выходные окна 2, электроды 3, рабочий канал (кварц) 4, нагревательный элемент рабочего канала 5, кусочки металла 6, генератор галогена 7, выполненный в виде емкости, припаянной к вакуумно-плотной оболочке 1, нагреватель емкости 8.

Емкость может быть припаяна к вакуумно-плотной оболочке 1 по центру рабочего канала 4 (фиг.1) или припаяна между кольцевыми электродами 3, располагаемыми с внешней стороны вакуумно-плотной оболочки и выходными окнами 2.

Генератора галогена (брома или хлора) 7 (фиг.3) имеет цеолитовую основу, которая насыщена бромом или хлором. Поскольку йод находится в твердой фазе, то он помещается в емкость 7 в чистом виде (фиг.4). Нагреватель 8 позволяет создавать необходимое давление паров галогена.

Для изготовления предлагаемого в настоящем изобретения активного элемента лазера к вакуумно-плотной оболочке 1, с диаметром 1.7 см и длиной рабочего канала 40 см, припаивалась дополнительная емкость 7, в которую засыпали 50 грамм цеолита 13Е. Далее цеолит прогревали при температуре 400-550°C в вакууме 10^-3 мм рт.ст. до полной дегазации (обычно в течение 3-5 часов). Затем емкость 7 охлаждается до комнатной температуры и напускается сухой бром под давлением 380 Торр в течение 10 минут. Излишки бромистого водорода скачивают, добавляют в активный элемент буферный газ (в данном случае неон до давления 10-30 мм рт.ст.). После чего активный элемент отпаивается от вакуумной системы и готов к работе.

Активный элемент работает следующим образом.

В активном элементе зажигался разряд, после чего емкость с цеолитом нагревалась до 130°C. При нагреве емкости с цеолитом появлялась генерация и мощность излучения составляла 2 Вт.

На электроды 3 активного элемента подается напряжение и в рабочем канале 4, где имеется буферный газ Ne, зажигается импульсный электрический разряд. Нагревательный элемент 5 позволяет разогреть рабочий канал 4 до необходимой температуры 600-650°C (при этих температурах эффективно испаряется с поверхности металла галогенид металла). Затем включается нагреватель 8 генератора галогена 7, который разогревает его до температуры 70-150°C, чтобы создать в рабочем канале 4 нужное давление паров галогена (для каждого галогена температура индивидуальна), т.е. тем самым осуществляется подача галогена (Br, Cl, I) в рабочий канал 4. Галоген реагирует с металлом (Cu, Au, Mn, Pb), образуя летучее соединение галогенида металла. Затем молекулы галогенида металла диссоциируют в разряде на пары металла и галогена, а уже после этого происходит возбуждение атомов металла разрядом (соударение с электронами) и появляется генерация.

Активный элемент лазера включает вакуумно-плотную оболочку с выходными окнами на торцах и с двумя электродами на ее концах. Электроды имеют кольцевую форму и размещены коаксиально на концах вакуумно-плотной оболочки и изолированы от активной среды ее стенкой. Внутри вакуумно-плотной оболочки в области рабочего канала размещены кусочки металла. Активный элемент содержит генератор галогена для образования галогенида металла в рабочем канале. Генератор галогена выполнен в виде дополнительной емкости, полость которой соединена с полостью вакуумно-плотной оболочки и заполнена либо адсорбентом, насыщенным газообразным галогеном, либо в ней размещен галоген, находящийся в твердой фазе. Дополнительная емкость расположена в области рабочего канала вакуумно-плотной оболочки и выполнена в виде цилиндрического отростка, соединяющегося с рабочим каналом с помощью отвода из вакуумно-плотной оболочки. Технический результат заключается в повышении удобства эксплуатации и увеличении срока службы активных элементов лазера на парах галогенида металлов. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Активный элемент лазера на парах галогенида металла, содержащий вакуумно-плотную оболочку с выходными окнами на торцах и, по меньшей мере, с двумя электродами на ее концах, отличающийся тем, что электроды имеют кольцевую форму и размещены коаксиально на концах вакуумно-плотной оболочки и изолированы от активной среды ее стенкой, внутри вакуумно-плотной оболочки в области рабочего канала размещены кусочки металла, при этом активный элемент содержит, по меньшей мере, один генератор галогена для образования галогенида металла в рабочем канале, причем генератор галогена выполнен в виде, по меньшей мере, одной дополнительной емкости, полость которой соединена с полостью вакуумно-плотной оболочки и заполнена либо адсорбентом, насыщенным газообразным галогеном, либо в ней размещен галоген, находящийся в твердой фазе, причем дополнительная емкость расположена в области рабочего канала вакуумно-плотной оболочки и выполнена в виде цилиндрического отростка, соединяющегося с рабочим каналом с помощью отвода из вакуумно-плотной оболочки.

2. Активный элемент лазера по п.1, отличающийся тем, что кусочки металла расположены периодично по всей длине рабочего канала.

3. Активный элемент лазера по п.1, отличающийся тем, что металл - это медь, золото, свинец или марганец.

4. Активный элемент лазера по п.1, отличающийся тем, что рабочий канал вакуумно-плотной оболочки наполнен буферным газом, например неоном.

5. Активный элемент лазера по п.1, отличающийся тем, что в качестве адсорбента использован, например, цеолит.

6. Активный элемент лазера по п.1 или 5, отличающийся тем, что адсорбент насыщен газообразным галогеном, таким как бром или хлор.

7. Активный элемент лазера по п.1, отличающийся тем, что галоген, находящийся в твердой фазе - это йод.

8. Активный элемент лазера по п.1, отличающийся тем, что дополнительная емкость снабжена контролируемым и управляемым автономным нагревателем.

9. Активный элемент лазера по п.1, отличающийся тем, что рабочий канал обмотан слоем теплоизолятора, например коалиновой ватой.