ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Советский патент 1998 года по МПК H01S3/41 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке непрерывных ионных лазеров на инертных газах.

Целью изобретения является повышение надежности работы и долговечности газового лазера.

На фиг. 1 представлена конструкция газового лазера; на фиг. 2 - часть разрядного канала активного элемента газового лазера в увеличенном масштабе.

Основной частью конструкции газового лазера является керамический капилляр 1, по концам которого расположены электроды: катод 2 и анод 3. При этом анод герметично соединен с анодным концом керамического капилляра 1. Вокруг керамического капилляра имеется рубашка охлаждения 4, внутри которой расположен соленоид 5, витки спирали которого выполнены из провода прямоугольного сечения, обжимающий капилляр.

Активный элемент герметизирован оптическими окнами 6 и 7, которые пропускают излучение к зеркалам резонатора 8 и 9. Питание лазера осуществляется от источника питания 10, между катодом 2 и анодом 3 имеется обводной канал 11. Разрядный промежуток (катод 2, капилляр 1, анод 3) и соленоид 5 последовательно подключены к источнику питания 10.

Газовый лазер работает следующим образом. Электрический разряд, возбуждаемый от источника питания 10, протекает по капилляру 1, заполненному инертным газом, например аргоном, до давления 0,6 - 1 мм рт.ст., между катодом 2 и анодом 3.

Между анодом 3 и источником питания 10 подключен соленоид 5, расположенный коаксиально капилляру. Соленоид создает аквиальное магнитное поле напряженностью 600 - 800 Э, уменьшающее тепловую нагрузку на капилляр и увеличивающее мощность излучения лазера.

Для охлаждения капилляра 1 и соленоида 5 в промежутке между рубашкой охлаждения 4, соленоидом 5 и капилляром 1 протекает охлаждающая жидкость, например вода. На входе давление воды 2 - 4 атм, на выходе 0 - 0,5 атм (стрелками показаны вход и выход охлаждающей жидкости).

Охлаждающая жидкость забирает тепло, выделяющееся внутри капилляра и в соленоиде, и обеспечивает температуру ~50 - 100^oC, позволяющую работать газовому лазеру длительное время. Внутри капилляра 1 имеются условия инверсной заселенности, которые для аргона имеют место при внутреннем диаметре капилляра 2,5 - 3 мм, разрядном токе 30 - 60 А.

Излучение, распространяющееся вдоль капилляра 1, выходит через оптические окна 6 и 7, и между зеркалами оптического резонатора 8 и 9 имеет место генерация на тех длинах волн, которым соответствуют покрытия зеркал оптического резонатора 8 и 9 и оптические переходы ионов инертного газа. Для аргона это длины волн в видимой (0,5145 и 0,4880 мкм) и ультрафиолетовой (0,3511 мкм) областях спектра и целый ряд других линий.

Надежная работа газового лазера при больших токах 40 - 60 А и длительная работа, большая долговечность при умеренных токах 30 - 40 А возможны только при условии хорошего охлаждения капилляра 1, когда тепло, выделяющееся из разряда, передается охлаждающей жидкости, и температура капилляра не повышается выше определенной величины. Условия, при которых не происходит разрушения капилляра, можно сформулировать следующим образом.

Рассмотрим, когда часть керамического капилляра охлаждается, а часть не охлаждается из-за того, что образовалась зона кипения, или слабый проток охлаждающей жидкости, или воздушный пузырь, либо охлаждающая жидкость не в состоянии подойти к поверхности капилляра между витками соленоида.

На примере аргонового лазера с керамическим разрядным капилляром из окиси берилия, обжатым металлической спиралью прямоугольного сечения (X, Y - стороны прямоугольника, см. фиг. 2), рассмотрим оптимальное расстояние Δl между витками спирали, необходимое для достижения положительного эффекта.

Количество тепла, которое выделяется на единичном отрезке капилляра при максимальном рабочем токе

где I - максимальный рабочий ток разряда;
U - напряжение поддержания разряда;
A, B - эмпирические постоянные для керамического капилляра, определяемые соотношениями:
U = A•L (L - дина капилляра, м),
I = B•d (d - диаметр капилляра, м).

Для бериллиевой керамики A = 600 В/м, B = 2•10⁴ А/м.

Это тепло передается через стенку капилляра. При этом через участок Δl проходит поток тепла

где h - толщина керамической стенки капилляра, м;
Т_внутр - температура внутренней поверхности капилляра;
Т_внешн - температура внешней поверхности капилляра;
α_t - коэффициент теплопроводности керамики.

Разница в термическом расширении внешнего и внутреннего участков капилляра длиной Δl (см. фиг. 2) при этом составит
Δ=α_e•Δl•(T_внут-T_внешн) , (3)
где α_e - коэффициент термического расширения керамики.

Из выражений (1), (2) и (3) получим

Если эта разница в расширении внешнего и внутреннего участков капилляра больше, чем допустимая, определяемая пределом прочности керамики, то керамика разрушается. Это условие записывается как

где E - модуль Юнга керамики;
σ - предел прочности керамики.

С учетом выражения (4) получим

При условии, когда Δl<h, охлаждение участка Δl будет происходить через соседние, хорошо охлаждаемые участки, поэтому в формулах (2), (3) и (5) необходимо h заменить на Δl/2.

Тогда условие для Δl запишется

что является одним из ограничений для расстояния между витками спирали.

С другой стороны, для получения положительного эффекта - повышения надежности работы и долговечности лазера - расстояние между витками спирали должно превышать отношение 100ρ_cd/ρ_ж.
Поясним этот вывод. Если расстояние Δl между витками соленоида слишком мало, то сопротивление охлаждающей жидкости между соседними витками будет недостаточным и электрический ток пойдет не по виткам соленоида, а непосредственно через охлаждающую жидкость. Чтобы исключить такую возможность при заданном удельном сопротивлении охлаждающей жидкости ρ_ж и удельном сопротивлении материала соленоида ρ_c необходимо, чтобы электрическое сопротивление одного витка соленоида было намного (на 2 порядка, т.е. приблизительно в 100 раз) меньше, чем электрическое сопротивление между витками, создаваемое охлаждающей жидкостью.

Обозначая ширину витка спирали соленоида как x и высоту как y (см. фиг. 2), для сопротивления одного витка соленоида R_в.с получим

Для сопротивления охлаждающей жидкости между витками R_в.ж выражение запишется

Чтобы ток протекал в основном по витку соленоида, необходимо
100R_в.с< R_в.ж (10). Или, используя выражения (8) и (9) для расстояния Δl между витками соленоида, получим

Учитывая, что d, h, x и y имеют один и тот же порядок величин, окончательно получим ограничение на Δl снизу

Это условие легко выполнить, так как обычно ρ_c ≪ ρ_ж .
Рассмотрим конкретный пример для аргонового лазера с керамическим разрядным капилляром из бериллиевой керамики, охлаждаемым водой: удельное сопротивление ρ_c материала спирали, выполненной из меди, 1,7•10^-8 Ом•м, удельное сопротивление воды ρ_ж = 10 Ом•м, внутренний диаметр капилляра 2,5•10^-3м, 100ρ_cd/ρ_ж = 100•1,7•10^-8 • 2,5•10^-3/10 = 4,2•10^-10м.

Предел прочности бериллиевой керамики σ = 1,5•10⁷ н/м², A = 600 В/м, B = 2•10⁴ А/м. Величины коэффициентов A и B получены эмпирически.

Коэффициент теплопроводности керамики α_t = 205 Вт/м град, коэффициент термического расширения керамики α_e = 10^-51/град, модуль Юнга керамики Е = 60•10 Н/м.

Отношение 4πσα_t/A•B•α_e•E будет равно 5•10^-3м.

Таким образом, 4,2•10^-10 м < Δ l < 5•10^-4 м, т.е. Δl можно выбрать 0,1 мм. Число витков спирали 1000.

Изготовление соленоида, выполненного в виде металлической спирали, обжимающей керамический разрядный капилляр, возможно различными способами.

Один из способов - это металлизация капилляра нанесением серебряной пасты с последующим выжиганием. На полученной металлизации либо заранее, либо последующим травлением после покрытия фоторезистом и образованием спирального рисунка лазерным лучом выполняется спираль с заданным расстоянием между витками Δl, например равным 0,1 мм. Затем на полученную спиралевидную металлизацию либо наращивается гальваническим способом, либо наматывается в горячем виде провод прямоугольного сечения с последующим спаиванием серебряным припоем.

Для мощных ионных лазеров провод лучше брать медным, обладающим хорошей теплопроводностью и малым электрическим сопротивлением.

Для маломощных ионных лазеров с тонкими стенками разрядного капилляра лучше брать для изготовления соленоида такие металлы, как хром или титан, которые обладают коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту термического расширения бериллиевой керамики.

При работе газового лазера охлаждение капилляра происходит путем передачи тепла металлическим виткам соленоида, выполняющего функцию радиатора. Непосредственного контакта охлаждающей жидкости с поверхностью капилляра практически нет, поэтому образования центров кипения на керамической поверхности капилляра не происходит и надежность работы повышается. Повышается и долговечность лазера, так как поверхность соленоида больше, чем у капилляра, и поэтому условия охлаждения его лучше. Для металла образование центров кипения на поверхности не является разрушительным из-за большей прочности металла.

Газовый лазер, содержащий активный элемент с электродами, керамическим разрядным капилляром, помещенным в рубашку охлаждения, в которой коаксиально с капилляром размещен соленоид, выполненный в виде металлической спирали, подключенной к источнику питания, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности, витки спирали соленоида выполнены из провода прямоугольного сечения и расположены непосредственно на капилляре, при этом величина зазора между витками удовлетворяет соотношению

где Δl - расстояние между витками спирали, м;
ρ_с - удельное сопротивление металла спирали, Ом•м;
ρ_ж - удельное сопротивление охлаждающей жидкости, Ом•м;
σ, E, α_t, α_e - соответственно предел прочности (н/м²), модуль Юнга (Н/м²), коэффициент теплопроводности (Вт/м•град), коэффициент термического расширения (1/град) материала разрядного капилляра;
d - внутренний диаметр разрядного капилляра, м;
А и В - эмпирические постоянные разрядного капилляра, определяемые из соотношений

где U - напряжение поддержания разряда, В;
I - максимальный рабочий ток разряда, А;
L - длина разрядного капилляра, м.

Газовый лазер, содержащий активный элемент с электродами, керамическим разрядным капилляром, помещенным в рубашку охлаждения, в которой коаксиально с капилляром размещен соленоид, выполненный в виде металлической спирали, подключенной к источнику питания, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности, витки спирали соленоида выполнены из провода прямоугольного сечения и расположены непосредственно на капилляре, при этом величина зазора между витками удовлетворяет соотношению

где Δl - расстояние между витками спирали, м;
ρ_с - удельное сопротивление металла спирали, Ом•м;
ρ_ж - удельное сопротивление охлаждающей жидкости, Ом•м;
σ, E, α_t, α_e - соответственно предел прочности (н/м²), модуль Юнга (Н/м²), коэффициент теплопроводности (Вт/м•град), коэффициент термического расширения (1/град) материала разрядного капилляра;
d - внутренний диаметр разрядного капилляра, м;
А и В - эмпирические постоянные разрядного капилляра, определяемые из соотношений

где U - напряжение поддержания разряда, В;
I - максимальный рабочий ток разряда, А;
L - длина разрядного капилляра, м.