АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА Советский патент 1998 года по МПК H01S3/36 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых лазеров, обладающих повышенной долговременной стабильностью излучения.

Газовые лазеры имеют существенный недостаток, заключающийся в изменении давления газа в активном элементе в процессе их работы, что приводит, в лучшем случае, к снижению мощности и долговечности, в худшем - к возникновению плазменной неустойчивости в канале разряда и разрушению разрядной оболочки.

В известном газовом лазере активный элемент снабжен дополнительным объемом с расположенным в нем электродом, материал которого насыщен атомами рабочего газа [1]. Поглощенные атомы могут выделяться из этого электрода при его бомбардировке ионами газа. Для этой цели на электрод подается отрицательный потенциал. Такое устройство предназначено для компенсации убыли рабочего газа, вызванной его истечением в разрядном канале, что позволяет увеличить долговечность лазера.

Недостатками известного лазера являются следующие:
регулирование давления газа может идти только в сторону увеличения, поэтому при случайном перенаполнении газом прибор может быть выведен из строя на длительное время;
сохраняемость лазера снижается, так как из материала, насыщенного атомами рабочего газа, как правило, будет самопроизвольно выделяться газ даже в том случае, когда лазер не работает;
для работы такого устройства необходима, помимо регулируемого источника питания вспомогательного разряда, система автоматического контроля давления газа, связанная с устройством регулирования тока вспомогательного разряда, что усложняет конструкцию лазера и, следовательно, снижает надежность, увеличивает стоимость конструкции.

Известна такая конструкция активного элемента газового лазера, которая по технической сущности и достигаемому результату наиболее близка к предлагаемому устройству [2].

Известная конструкция снабжена балластным резервуаром, соединенным с рабочим объемом, имеющим основные электроды, с помощью разрядного канала капиллярного типа. В балластном резервуаре размещен дополнительный электрод. Регулировка давления газа осуществляется следующим образом.

Вначале зажигается вспомогательный разряд, который горит между основным катодом активного элемента и дополнительным анодом. При этом в результате электрофореза происходит перекачка газа из объема прибора в балластный резервуар. Величина перепада давления газа между ними определяется геометрическими размерами разрядного канала капиллярного типа и плотностью тока разряда. Регулируя ток, можно добиться требуемого давления газа в рабочем объеме прибора.

Основной недостаток известной конструкции активного элемента газового лазера с регулированием давления рабочей среды заключается в том, что он непригоден для использования во всех типах газовых лазеров из-за зависимости перепада давления, который получается только в разрядах капиллярного типа, от давления газа в активном элементе. Как известно, начиная с давления газа больше 4 мм рт. ст. перепад давления становится несущественным и почти не меняется от тока разряда, поэтому известный способ регулирования с использованием капилляра становится неэффективным. При этом способе регулирования давления газа возрастает время выхода прибора на рабочий режим из-за необходимости предварительного включения дополнительного разряда в капилляре, через который откачивается избыточное давление газа в рабочем объеме лазера и нагнетается в балластный резервуар. Способ регулирования давления газа в известной конструкции активного элемента лазера непригоден для лазеров, работающих на смесях газов, так как скорость откачки газов разрядов капиллярного типа изменяется для различных газов.

Кроме того, использование дополнительного разрядного капилляра, соединяющего рабочий объем лазера с балластным резервуаром, для управления давлением газа снижает надежность прибора в целом, поскольку для обеспечения требуемого, например, для ионного аргонового лазера перепада давления между балластным резервуаром и рабочим объемом активного элемента требуется обеспечить плотность тока в разрядном канале больше сотни ампер на квадратный сантиметр, что соизмеримо с разрядными условиями в рабочем капилляре ионного лазера.

Известному активному элементу свойственен также недостаток, заключающийся в сложности системы контроля и управления рабочим давлением газа. Это вызвано необходимостью постоянно извне контролировать давление газа в активном объеме прибора с помощью манометра давления или другим косвенным методом, например по напряжению горения (поддержания) разряда. Для стабилизации давления газа необходимо также использовать дополнительную систему автоматического регулирования тока разряда в дополнительном капилляре в соответствии с изменением давления газа в активном объеме прибора.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно обеспечение возможности саморегулирования давления газа, уменьшение времени выхода на рабочий режим и повышение надежности.

Указанная цель достигается тем, что в активном элементе газового лазера, содержащем рабочий объем с основными электродами и балластный резервуар, в котором расположен дополнительный электрод, балластный резервуар соединен с рабочим объемом со стороны основного электрода, имеющего одинаковую полярность с дополнительным электродом, дополнительный электрод подключен через стабилизатор напряжения к другому основному электроду, при этом объем балластного резервуара составляет менее 80% объема активного элемента лазера.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Активный элемент лазера имеет рабочий объем 1, предназначенный для ускорения лазерного излучения, и основные электроды 2 и 3, служащие для возбуждения разряда в рабочем объеме лазера. Балластный резервуар 4 имеет дополнительный электрод 5, полярность которого одинакова с основным электродом 2. Источник стабилизированного напряжения 6 подсоединен к дополнительному электроду 5 и основному электроду активного элемента.

Устройство работает следующим образом. Активный элемент наполняется рабочим газом, например криптоном. Между электродами 2 и 3 возбуждается дуговой разряд. При этом электрод 2 является катодом, а электрод 3 - анодом.

В рабочем объеме 1, представляющем собой плазменный столб разряда, происходит усиление лазерного излучения из счет индуцированных переходов возбужденных уровней иона криптона. Основной столб разряда характеризуется напряжением поддержания разряда, составляющим обычно 200-300 В (при длине разрядного канала 500 мм и диаметре 3 мм), и зависит от давления газа.

При увеличении давления газа напряжение поддержания разряда увеличивается и наоборот. Диапазон изменения напряжения, соответствующий рабочему диапазону давления криптона, составляет примерно 60 В.

Между дополнительным электродом 5, являющимся катодом, и основным электродом 3 (анодом) возбуждается тлеющий разряд, источником питания которого является стабилизатор напряжения 6. При этом в балластном резервуаре возникает низкотемпературная плазма. В электрической цепи этого вспомогательного разряда имеется основной столб дугового разряда.

Назначение вспомогательного тлеющего разряда в балластном резервуаре заключается в изменении давления рабочего газа в нем за счет изменения температуры атомов криптона. При увеличении тока разряда увеличивается температура газа и, следовательно, его давление в балластном резервуаре, а также в рабочем объеме активного элемента.

Самостабилизация давления газа в рабочем объеме происходит за счет того, что при изменении давления газа в нем изменяется в том же направлении падение напряжения между основными электродами 2 и 3, а это приводит к изменению тока вспомогательного разряда в балластном резервуаре 4 и соответственно к компенсации изменения давления газа в рабочем объеме 1 активного элемента лазера.

Поскольку цепь питания стабилизатора напряжения 6 включает последовательно соединенные две разрядные полости: тлеющий разряд в балластном резервуаре 4 и основной разряд в рабочем объеме 1, то изменение падения напряжения на основном разряде приводит к противоположному изменению падения напряжения в разряде, горящем в балластном резервуаре.

Ток основного разряда в рабочем объеме значительно больше тока вспомогательного разряда, поэтому изменение суммарного тока, протекающего через основной рабочий объем активного элемента лазера, не оказывает практически никакого влияния на параметры излучения лазера.

В балластном резервуаре может располагаться и дополнительный анод 5. В этом случае балластный резервуар 4 должен быть присоединен к основному рабочему объему активного элемента лазера со стороны анода 2, а стабилизатор напряжения 6 подключен к основному катоду 3 и дополнительному аноду 5.

Таким образом осуществляется автоматическая стабилизация давления газа (саморегулирование) без применения дополнительной электронной системы автоматической стабилизации. Для изменения рабочего давления газа потребуется изменить либо напряжение стабилизации, либо сопротивление резистора ограничения тока вспомогательного разряда.

Поскольку разогрев газа в балластном резервуаре производится эффективно и быстро от разряда, время готовности лазера существенно снижается по сравнению с временем готовности в известном устройстве.

Отсутствие дополнительного разряда капиллярного типа, существенно снижающего долговечность активного элемента из-за больших тепловых нагрузок на стенки капилляра, позволяет получить активный элемент лазера, обладающий большой надежностью.

Расчеты показывают, что изменение температуры газа на каждые 30^oC позволяет изменить давление газа в объеме на 10%. Поэтому для повышения чувствительности системы регулирования балластный резервуар с нагреваемым газом должен составлять большую часть, т.е. не менее 80% всего объема активного элемента.

Таким образом, предложенная конструкция активного элемента газового лазера обеспечивает возможность саморегулирования давления газа, уменьшает время готовности прибора и повышает его надежность.

Активный элемент газового лазера, содержащий рабочий объем с основными электродами и балластный резервуар, в котором расположен дополнительный электрод, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности саморегулирования давления газа, уменьшения времени выхода на рабочий режим и повышения надежности, балластный резервуар соединен с рабочим объемом со стороны основного электрода, имеющего одинаковую полярность с дополнительным электродом, дополнительный электрод подключен через стабилизатор напряжения к другому основному электроду, при этом объем балластного резервуара составляет не менее 80% объема активного элемента лазера.

Активный элемент газового лазера, содержащий рабочий объем с основными электродами и балластный резервуар, в котором расположен дополнительный электрод, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности саморегулирования давления газа, уменьшения времени выхода на рабочий режим и повышения надежности, балластный резервуар соединен с рабочим объемом со стороны основного электрода, имеющего одинаковую полярность с дополнительным электродом, дополнительный электрод подключен через стабилизатор напряжения к другому основному электроду, при этом объем балластного резервуара составляет не менее 80% объема активного элемента лазера.