Активный элемент лазера на парах металлов Российский патент 2023 года по МПК H01S3/227 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к активным элементам (АЭ) лазера на парах металлов, и может быть использовано при их конструировании с целью повышения стабильности мощности излучения и долговечности без усложнения конструкции.

Отличительной особенностью данного класса лазеров является наличие паров активного вещества-металла: меди, золота, свинца, бария в плазме газового разряда. При включении газового разряда активное вещество в разрядном канале АЭ нагревается до плавления и часть его переходит в пар и участвует в процессах образования лазерной энергии.

Известен отпаянный саморазогревный АЭ лазера на парах меди, содержащий вакуумноплотную оболочку с двумя выходными окнами, внутри которой расположен керамический разрядный канал с активным веществом – кольца рабочего металла-меди, закрепленный соосно к оболочке через электродные узлы, теплоизолятор, расположенный между оболочкой и керамическим каналом, съемные экраны с элементами крепления к оболочке [Патент RU №2 644 985]. Съемные экраны предохраняют выходные окна от запыления примесями, выделяемыми теплоизолятором и элементами конструкции АЭ лазера в процессе термотренировки по обезгаживанию.

Недостатком этой конструкции является загрязнение активного вещества-меди в процессе термотренировки и как следствие снижение скорости испарения атомов меди и их концентрации в газоразрядном промежутке, что приводит к уменьшению мощности излучения и долговечности АЭ.

Наиболее близким техническим решением является конструкция промышленного отпаянного саморазогревного АЭ лазера на парах металлов, включающая керамический разрядный канал с активным веществом и электродами на концах (анод и катод), высокотемпературный теплоизолятор, расположенный между разрядным каналом и вакуумноплотной стеклянной оболочкой, концевые секции с оптическими окнами для выхода излучения. [Григорьянц А. Г., Казарян М. А., Лябин Н. А. Лазерная прецизионная микрообработка материалов. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017. – гл. 3 с.118 Рис.3.18]. Активный элемент заполнен буферным газом неоном, активным веществом является медь, но может быть и другой металл из перечисленных выше.

Для обеспечения эффективности работы АЭ разработан 3-х этапный технологический процесс тренировки по его обезгаживанию.

Однако это не обеспечивает достаточную стабильность мощности излучения, что ограничивает долговечность работы элемента.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности мощности излучения и как следствие повышение долговечности активного элемента.

Технический результат достигается тем, что активный элемент лазера на парах металлов содержит вакуумноплотную оболочку с двумя выходными окнами в концевых секциях, внутри оболочки расположен разрядный канал с размещенным в нем активным веществом-металлом, анод и катод. Теплоизолятор расположен между оболочкой и каналом. Со стороны анода в концевой секции размещен резервуар с молекулярным водородом и окном из металлической фольги, причем резервуар и канал соосны.

Резервуар может быть выполнен в форме двустенного цилиндра, при этом диаметр внутренней стенки цилиндра больше диаметра канала.

Резервуар может быть выполнен в форме трубчатой спирали.

Сечение трубки спирали может быть круглым или прямоугольным.

Через окно из металлической фольги резервуара происходит диффундирование Н₂ в объём АЭ с буферным газом неоном, что позволяет поддерживать парциальное давление Н₂ в газовом объеме и чистоту поверхности расплавленного металла, и как следствие обеспечивать высокую стабильность мощности излучения при длительной наработке лазера.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг.1 структурная схема предлагаемого активного элемента, где: вакуумноплотная оболочка – 1;

выходные оптические окна – 2;

концевая секция – 3;

разрядный канал – 4;

активное вещество – 5;

анод – 6;

катод – 7;

теплоизолятор – 8;

резервуар с молекулярным водородом в форме двустенного цилиндра – 9;

окно из металлической фольги – 10;

место отпайки штенгеля резервуара –11.

На Фиг. 2 – резервуар в форме трубчатой спирали, где

резервуар с молекулярным водородом в форме спирали – 9;

окно из металлической фольги – 10;

место отпайки штенгеля резервуара – 11.

Пример.

Отпаянный саморазогревной активный элемент лазера на парах меди с в стеклянной вакуумноплотной оболочке 1 с выходными оптическими окнами 2 в концевых секциях 3 имеет керамический разрядный канал 4 с активным веществом 5 медью диаметром 14 мм. Электроды молибденовый анод 6 и вольфрам-бариевый катод 7 выполнены кольцевыми. Высокотемпературный трехслойный теплоизолятор 8 на основе полых микросфер марки Т, волокнистых материалов ВКВ-1 и Руrofiber 1600 расположен между разрядным каналом и оболочкой. Резервуар 9 с молекулярным водородом Н₂ выполнен в форме двустенного цилиндра из стекла С52-1 с герметически запаянными торцами и окном 10, выполненном из никелевой фольги толщиной 100 мкм. Фольга обладает высокой проницаемостью для водорода. Внутренний диаметр резервуара 9 равен 28 мм, в 2 раза больше чем диаметр разрядного канала 4, что не экранирует проход лазерного пучка излучения. Наполнение резервуара 9 водородом производиться через стеклянный штенгель с последующей отпайкой 11. Резервуар 9 и разрядный канал 4 соосны.

Предлагаемый активный элемент лазера работает следующим образом.

Активный элемент наполнен буферным газом неоном. При подаче напряжения на электроды 6 и 7 происходит разогрев разрядного канала 4 с активным веществом-металлом 5 и резервуара 9 с водородом до рабочих температур. Металл превращается в жидкость и в результате испарения и диффузии атомы металла заполняют все пространство газоразрядного промежутка – разрядного канала 4. Водород из резервуара 9 диффундирует через металлическую фольгу 10 в газовый объем АЭ. Химическое воздействие водорода на поверхность испарения расплавленного металла позволяет непрерывно поддерживать ее высокую чистоту, обеспечивать эффективные условия накачки и повысить стабильность генерации лазерного излучения и как следствие обеспечить высокую долговечность АЭ.

Эффективность изобретения проверена экспериментальным путем на примере промышленного отпаянного саморазогревного АЭ лазера на парах меди модели ГЛ-206И [КРПГ.433757.004-007 ТУ]. Давление буферного газа неона в АЭ с объёмом активной среды = 400 см³ составляло Р_Ne = 220 мм рт. ст. В оптимальном рабочем режиме температура керамического разрядного канала 4 с активным веществом-медью 5 составляла ~ 1600 ºС, температура резервуара с молекулярным водородом 9, выполненного в форме двустенного стеклянного цилиндра, – ~200 ºС. Цилиндрический резервуар 9 фиксировался соосно относительно разрядного канала 4 с помощью пружинного элемента. Фольга окна 10 герметично припаяна к металлической втулке , которая впаяна в стеклянную трубку, а трубка впаяна в торец двустенного цилиндра 9. Наполнение резервуара водородом производилось через стеклянный штенгель с последующей отпайкой 11.

Испытания лазера с предлагаемым АЭ проводились в составе действующего промышленного технологического оборудования АЛТУ «Каравелла-2» [КРПГ.442162.005 ТУ] для прецизионной микрообработки материалов изделий электронной техники. Применение в АЭ резервуара 9 с молекулярным водородом позволило увеличить стабильность мощности излучения в 4 раза и как следствие увеличить долговечность в 2 раза.

Конструкция АЭ при этом существенно не усложнилась. Эффективность лазера будет высокой, если в качестве активного вещества использовать золото (Т_пл = 1064 ºС), барий (727 ºС) и свинец (327 ºС), т. к. температура плавления этих металлов ниже, чем у меди (1083 ºС) и, следовательно, АЭ будет испытывать меньшую температурную нагрузку, чем в случае с медью.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к активным элементам лазеров на парах металлов. Активный элемент лазера на парах металлов содержит вакуумно-плотную оболочку с двумя выходными окнами в концевых секциях, внутри оболочки расположен разрядный канал с размещенным в нем активным веществом, анод и катод. Теплоизолятор расположен между оболочкой и каналом. Со стороны анода в концевой секции размещен резервуар с молекулярным водородом и окном из металлической фольги, причем резервуар и канал соосны. Технический результат - повышение стабильности мощности излучения и как следствие повышение долговечности активного элемента. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Активный элемент лазера на парах металлов, содержащий вакуумно-плотную оболочку с двумя выходными окнами в концевых секциях, внутри которой расположен разрядный канал с размещенным в нем активным веществом, анод и катод, теплоизолятор между оболочкой и каналом, отличающийся тем, что со стороны анода в концевой секции размещен резервуар с молекулярным водородом и окном из металлической фольги, причем резервуар и канал соосны.

2. Активный элемент лазера на парах металлов по п.1, отличающийся тем, что резервуар выполнен в форме двустенного цилиндра, при этом диаметр внутренней стенки цилиндра больше диаметра канала.

3. Активный элемент лазера на парах металлов по п.1, отличающийся тем, что резервуар выполнен в форме трубчатой спирали.

4. Активный элемент лазера на парах металлов по п.3, отличающийся тем, что сечение трубки спирали круглое или прямоугольное.