ГАЗОВЫЙ ИОННЫЙ ЛАЗЕР Советский патент 1998 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при изготовлении мощных ионных лазеров, предназначенных для работы в различных областях науки и техники, в частности, для дисковых систем записи информации, медицине, биологии, голографии и т.д.

Известен газовый лазер, содержащий активный элемент с электродами и оптический резонатор, зеркала которого закреплены в юстируемых головках [1].

Активный элемент закреплен на опорах, которые позволяют регулировать перемещение одного конца активного элемента в небольших пределах, что дает возможность при настройке лазера производить оптическую юстировку элементов.

Опора активного элемента выполнена в виде двух подвижных относительно друг друга элементов, взаимное положение которых регулируется винтами. Одним из винтов конец активного элемента перемещается в вертикальном направлении, другим винтом - в горизонтальном, причем при юстировке оптических узлов активный элемент изгибается.

Недостатками этого лазера являются низкая механическая прочность и нетехнологичность из-за сложности выполнения подвижных опор активного элемента, так как функции деталей в опоре разделены. Активный элемент закрепляется одним рядом деталей, перемещение его в горизонтальном направлении осуществляется другим, а в вертикальном направлении - третьим рядом деталей.

Известен газовый ионный лазер, являющийся по своей технической сущности наиболее близким к предлагаемому, содержащий установленный на опорах и помещенный в соленоид активный элемент с анодом и катодом, закрепленный на основании оптический резонатор с трубчатыми направляющими, скрепленными L- образными фланцами, и систему охлаждения [2].

В известной конструкции активный элемент имеет два крепления: подвижное и неподвижное. Неподвижное крепление выполнено в виде полуцилиндрического блока и полоски, охватывающих трубку. Блок крепится парой штырьков к другой изогнутой полоске, которая, в свою очередь, парой штырьков крепится к поддерживающей структуре.

Недостатком такого крепления является невысокая механическая прочность. Это связано с тем, что гибкие полоски не могут обеспечить неподвижное положение трубки относительно оптической оси в перпендикулярной плоскости при вибрациях и тряске, что приведет к разъюстировке резонатора и снижению мощности излучения. При резонансных частотах вибраций амплитуда колебаний может возрастать настолько, что произойдет разрушение трубки. Кроме того, такая конструкция состоит из большого количества деталей, сложна в изготовлении и не технологична.

Подвижное крепление в известной конструкции выполнено в виде полоски с рессорой (пружиной), прижимающих трубку к двум регулируемым опорам. Опорой служит регулировочный винт в горизонтальном направлении и кулачковый механизм.

Недостатком конструкции такого крепления является малая площадь опор сферической головки винта и кулачкового механизма. При регулировке положения трубки может произойти треск из-за большого усилия, приходящегося на малую площадь регулировочных опор.

Целью изобретения является повышение стабильности мощности излучения и механической прочности лазера
Указанная цель достигается тем, что в газовом ионном лазере, содержащем установленный на опорах и помещенный в соленоид активный элемент с анодом и катодом, закрепленный на основании оптический резонатор с трубчатыми направляющими, скрепленными L-образными фланцами, и систему охлаждения, активный элемент со стороны катода закреплен на опоре, выполненной в виде взаимно перпендикулярных пружин, прикрепленных одними концами к L-образному фланцу, а другими - к дугообразному держателю, охватывающему активный элемент, напротив пружин взаимно перпендикулярно установлены винтовые стопорные упоры, каждый из которых имеет сферическую головку, входящую в выполненную в опорной площадке упора сферическую выточку, со стороны анода активный элемент закреплен на опоре, выполненной в виде кольцевого вкладыша со сферической внешней образующей, имеющего расположенные друг против друга паз и секторный вырез, и охватывающего вкладыш призматического зажима, установленного на направляющих оптического резонатора посредством выполненного из изоляционного материала кронштейна, параллельного основанию, при этом направляющие резонатора служат трубопроводами системы охлаждения лазера, а также тем, что радиус сферы внешней образующей вкладыша равен расстоянию от катодной опоры до анодной.

На фиг. 1 изображена конструкция лазера; на фиг. 2 - узел развязки резонатора и основания; на фиг. 3 - крепление активного элемента со стороны катода; на фиг. 4 - крепление активного элемента со стороны анода; на фиг. 5 - сечение вида сбоку крепления активного элемента со стороны анода; на фиг. 6 - выполнение винтового стопорного упора; на фиг. 7 - соединение трубопроводов системы охлаждения лазера.

Разрядный капилляр 1 активного элемента с дополнительным объемом 2, обеспечивающим крепление со стороны катода и расположенным коаксиально между катодной ножкой 3 и катодной оболочкой 4, помещен в соленоид 5, закрепленный на опорах 6 и 7 к основанию 8. Обводная трубка 9 соединяет катодную и анодную части активного элемента.

Оптический резонатор выполнен сварным из материала с малым коэффициентом расширения, например из суперинвара, и состоит из трех трубчатых направляющих 10, скрепленных на концах торцевыми фланцами 11, а между ними ребрами жесткости 12, одно из которых 13 является опорным фланцем резонатора, выполненным в виде скрепленного с направляющими L-образного фланца с радиальной выборкой изнутри, и присоединенными к проушинам на его концах взаимно перпендикулярными цилиндрическими пружинами 14, связанными с концами дугообразного держателя 15.

Напротив пружин взаимно перпендикулярно установлены в середине стоек L-образного фланца винтовые стопорные упоры 16 и 17 со сферической головкой 18, входящей в сферическую выточку опорной площадки 19.

Анодная часть жестко закреплена с помощью кольцевого вкладыша 20 со сферической внешней образующей 21 и секторным вырезом 22 напротив паза 23 и охватывающего вкладыш призматического зажима 24, установленного на направляющих посредством изолирующего кронштейна 25.

Через штуцера 26 внутренние полости направляющих 27 с помощью трубопровода последовательно соединены с трубопроводом 28 системы охлаждения активного элемента и трубопроводом 29 системы охлаждения соленоида.

Охлаждающая жидкость от системы охлаждения поступает сначала одновременно во все направляющие, затем в соленоид и потом в активный элемент. После этого охлаждающая жидкость поступает на выход. С помощью пружин 30 и винтов 31 осуществляется крепление юстируемых головок 32 с юстировочными винтами 33. В призматических зажимах 34 устанавливают оптические узлы с зеркалами 35. Шарниры 36 используются для развязки резонатора и основания. Вся конструкция излучателя вместе с основанием помещена в легкий защитный кожух 37, обеспечивающий защиту обслуживающего персонала и внешний вид прибора. С торцевых сторон оптический резонатор закрыт колпаками 38.

Лазер работает следующим образом. Перед включением лазера производят юстировку активного элемента и зеркал оптического резонатора следующим образом. В первоначальный момент винты призматического зажима 24 не затянуты. Вращением стопорных упоров 16 и 17 добиваются соосного расположения разрядного капилляра 1 и оптической оси резонатора. При этом за счет дугообразного держателя 15 и цилиндрических пружин 14 колба дополнительного объема остается прижатой к опорным площадкам 19, а сферическое крепление их обеспечивает необходимые пределы регулировки активного элемента по вертикали и горизонтали. Затем затягивают винты призматического зажима 24, крепящего активный элемент со стороны анода. При этом благодаря сферической поверхности кольцевого вкладыша 20, который в данном случае играет роль шарнира, усилие, направленное перпендикулярно оси активного элемента, отсутствует.

После этого в призматических зажимах 34 крепятся оптические узлы с зеркалами 35 активного элемента и устанавливаются перпендикулярно оптической оси резонатора с помощью юстировочных винтов 33.

Перед включением необходимо на вход оптического резонатора подать охлаждающую жидкость, причем ее давление должно быть не менее 1,5-2 атм, после этого производят включение лазера.

Расположение дополнительного объема 2 между катодной ножкой 3 и катодной оболочкой 4 (причем расстояние между ними выбрано таким образом, чтобы прикатодная область разряда частично захватывала дополнительный объем) дает следующее преимущество: с увеличением разрядного тока возрастает температура газа и в дополнительном объеме за счет прикатодной области разряда. Это снижает вытеснение газа из разрядного капилляра активного элемента и увеличивает стабильность мощности излучения при повышенных плотностях тока.

При работе лазера охлаждающая жидкость равномерно поступает во все направляющие оптического резонатора. Этим самым выравнивается температура между ними и таким образом обеспечивается стабильность параметров лазера при изменении температуры окружающей среды или режима работы.

Благодаря тому, что активный элемент в конструкции не связан с соленоидом и имеет возможность перемещаться, требования к точности его изготовления снижаются. Это повышает технологичность конструкции прибора в целом.

Стопорные упоры, состоящие из стопорных винтов со сферической головкой, входящие в сферическую выточку опорной площадки, позволяют распределить действующие на колбу нагрузки, возникающие при механических воздействиях, по площади соприкосновения упоров с колбой, что повышает механическую прочность трубки, а также позволяют за счет шарнирного соединения винтов и выточки свободно перемещать колбу в поперечных направлениях. Выбор радиуса сферы внешней образующей вкладыша, равным расстоянию от катодной опоры до анодной, позволяет обеспечить, с одной стороны, жесткий прижим конца трубки к вкладышу, а, с другой стороны, обеспечить свободное вращение трубки относительно сферического вкладыша при поперечном перемещении трубки со стороны катодной колбы.

Предложенная конструкция лазера отличается повышенной устойчивостью к механическим воздействиям, так как юстируемые головки и оптические узлы с зеркалами удерживаются в нужном положении непосредственно на сварной жесткой конструкции оптического резонатора без применения промежуточных элементов, таких как, например, кварцевые стержни.

Кроме того, механическая устойчивость прибора обеспечивается и за счет того, что соленоид не связан с направляющими оптического резонатора, а прикреплен к основанию и тем самым не создает дополнительной нагрузки на направляющие оптического резонатора.

Предложенный лазер может найти широкое применение в различных областях науки, где предъявляются жесткие требования к стабильности мощности излучения и механической прочности прибора.

1. Газовый ионный лазер, содержащий установленный на опорах и помещенный в соленоид активный элемент с анодом и катодом, закрепленный на основании оптический резонатор с трубчатыми направляющими, скрепленными L-образными фланцами, и систему охлаждения, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности мощности излучения и механической прочности, активный элемент со стороны катода закреплен на опоре, выполненной в виде взаимно перпендикулярных пружин, прикрепленных одними концами к L-образному фланцу, а другими - к дугообразному держателю, охватывающему активный элемент, напротив пружин взаимно перпендикулярно установлены винтовые стопорные упоры, каждый из которых имеет сферическую головку, входящую в выполненную в опорной площадке упора сферическую выточку, со стороны анода активный элемент закреплен на опоре, выполненной в виде кольцевого вкладыша со сферической внешней образующей, имеющего расположенные друг против друга паз и секторный вырез, и охватывающего вкладыш призматического зажима, установленного на направляющих оптического резонатора посредством выполненного из изоляционного материала кронштейна, параллельного основанию, при этом направляющие резонатора служат трубопроводами системы охлаждения лазера.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что радиус сферы внешней образующей вкладыша равен расстоянию от катодной опоры до анодной.

1. Газовый ионный лазер, содержащий установленный на опорах и помещенный в соленоид активный элемент с анодом и катодом, закрепленный на основании оптический резонатор с трубчатыми направляющими, скрепленными L-образными фланцами, и систему охлаждения, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности мощности излучения и механической прочности, активный элемент со стороны катода закреплен на опоре, выполненной в виде взаимно перпендикулярных пружин, прикрепленных одними концами к L-образному фланцу, а другими - к дугообразному держателю, охватывающему активный элемент, напротив пружин взаимно перпендикулярно установлены винтовые стопорные упоры, каждый из которых имеет сферическую головку, входящую в выполненную в опорной площадке упора сферическую выточку, со стороны анода активный элемент закреплен на опоре, выполненной в виде кольцевого вкладыша со сферической внешней образующей, имеющего расположенные друг против друга паз и секторный вырез, и охватывающего вкладыш призматического зажима, установленного на направляющих оптического резонатора посредством выполненного из изоляционного материала кронштейна, параллельного основанию, при этом направляющие резонатора служат трубопроводами системы охлаждения лазера. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что радиус сферы внешней образующей вкладыша равен расстоянию от катодной опоры до анодной.