Ионный газовый лазер Советский патент 1991 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании мощных лазеров непрерывного действия на инертных газах

Известна конструкция ионного газового лазера, в которой с целью увеличения мощности излучения и ее стабильности активный элемент содержит две расположенные соосно охлаждаемые разрядные трубки с катодами между ними и анодами на концах или с одним общим центральным анодом и двумя катодами Каждая разрядная трубка содержит рубашку охлаждения и обводную трубку j соединянлцую электродные участки. Трубки помещены в соленоиды.

Известная конструкция ионного лазера позволяет повысить мощность излучения лазера путем увеличения активной длины разрядного промежутка

сл

Одним из недостатков лазера являГчЭ 00 ется низкая надежность при поджиге разряда, так как импульс поджига подается на анод или катод и может производить ионизацию газа в обводной трубке, а также ограничение по стабильности мощности излучения при уве личении тока в каждой разрядной трубке, обусловленное возникновением колебаний тока.

Другим недостатком известного лат зера является сложность конструкции сдвоенного активного элемента и сдвоенного источника питания.

Наиболее близким по технической :сущности к .изобретению является ионный газовый лазер, содержащий активиьгй элемент с разрядной трубкой, выполненной из керамических и металлических чередующихся секций и помещенной в рубашку охлажденияJ соленои окружакжщй активный элемент, и источник питания с блоком поджигао

В известном лазере разрядная трубка соединена герметично с катодной колбой и трубчатым анрдомо В катодно колбе размещен прямоканапьный спиралньй катодо Разрядная трубка, катодная колба и анод помещены в рубашку с патрубками у катода и анода для прохода охлаждакнцей жидкостИо Анодный и катодный участки соединены обводной трубкойо

Преимущества известной конструкции лазера заключаются в ее простоте и надежности, так как она содержит только два электрода (анод и катод) j одну рубашку охлаждения и одну обводную трубку и не требует сдвоенных источника питания и блока поджигзо Большая длина активной части разрядного промежутка обеспечивает повышенную мощность излучения лазерао

Недостатками этой конструкции являются низкая надежность при включеНИИ прибора; невысокая стабильность мощности излучения из-за возникновения пинч-эффектао

Кроме того, при увеличении длины разрядной трубки повьшается гидравлическое сопротивление рубашки, что приводит к уменьшению расхода охлаждающей жидкости, возрастает температура жидкости на выходе, в результате значительно снижается эффективность охлаждения разрядной трубкИо Это ограничивает мощность излучения и срок службы, а следовательно, надежность работы лазераоДпя устранения этого недостатка необходимо увеличить давление охлаждающей жидкости на входном патрубке, что усложняет систему охлаждения лазера и затрудняет его эксплуатациюо Увеличение давления жидкости в рубашке тр бует повьш1ения ее. механической прочности и связано с усложнением конструкции активного элемента лазера

Целью изобретеьшя является повышение стабильности мощности излучении надежности работы лазера

Цель достигается тем, что в ионном газовом лазере, содержащем активный элемент с разрядной трубкой, выполненной из керамических и металлических чередующихся секций и помещенной в рубашку охлаждения, соленоид, окружающий активный элемент, и источник питания с блоком поджига, соленоид выполнен из двух секций, разделенных в центральной части трубки зазором, центральная металлическая секция трубки образована двумя фланцами с кольцевым выступом, участок рубашки охлаждения, расположенный в зазоре соленоида, вьтолнен в виде цилиндра из магнитомягкого материала, фланцы метЭлшической секции трубкИ и цилиндр рубашки охлаждения электрически соединены с блоком поджига, при этом длина цилиндра не превьш1ает величину зазора между секциями соленоида, составляющую 0,2 длины разряд-. ной трубы, а ширина h кольцевого выступа фланцев металлической секции трубки лежит в пределах 0,1 D , где D - внутренний диаметр кольцевого выступа фланцево

На фиго1 показан газовьй лазер; на фиго2 - вид А на фиго1о

Разрядная трубка состоит из керамических 1 и металлической 2 секций, последняя из которых выполнена в виде двух герметично соединенных между собой фланцев, имеющих кольцевой выступ, обеспечивающий необходимый зазор между концами секцийо К концам трубки припаяны цилиндрический анодный узел 3 и через металлический переходник 4 катодная колба 5, в которой расположен прямоканальный спиральный катод 6о ,

Разрядная трубка заключена в цилиндрическую рубашку охлаждения 7, соединенную герметично по концам с анодным узлом и катодной колбойо Рубашка выполнена по крайней мере частично из диэлектрического материала, например из стекла, чтобы электрически изолировать анодный узел от катодной кол бы о

Катодная колба соединена,обводной трубкой 8 с анодной областью активного элемента Часть рубашки, окружаюая центральный участок разрядной трубки, выполнена из магнитомягкого атериала, например ковара, в виде цилиндра 9 с боковыми патрубками 10 ля прохода, охлаждающей жидкости Пру-, йнящий элемент I1 служит для электриеского соединения цилиндра с фланцаи металлической секции трубки Активный элемент помещен в солено ид 12, состоящий из двух секций, рас положенных так, что центральная част разрядной трубки находится в свободном пространстве между секциями Цилиндр 9 электрически соединен с вторичной обмоткой трансформатора поджига 13о Конструкция ионного газового лазе ра может быть изготовлена следующим образом Секции трубки - катодную и анодную - вакуум-плотно соединяют между собой через металлические фланцы плазменной или аргоно-дуговой сваркой, причем торцы втулок предварител но механически обрабатывают так, что бы они бьши строго перпендикулярны внутренним каналам секций, что обеспечивает их соосность и после еварки Собранную разрядную трубку с припаянной катодной колбой 5 и пружинящим элементом 11, приваренным к металлической секции, например, точечной сваркой, помещают в заранее изго товленную стеклянную рубашку 7 с коваровым цилиндром 9 в средней части„ Рубашку на концах герметично соединя ют путем сварки или пайки с катодным и анодным узлами Jтpyбки, В катодную колбу заваривают ножку с аксиальным спиральным катодом 6, затем припаивают стеклянные патрубки с оптически ми узлами и обводную трубку 8 Собранный таким образом активньй элемен обрабатывают в вакууме ив разр(яде, а затем наполняют инертным газом до определенного давления Конструкция лазера технологична в изготовлении и не требует сложного специального оборудования и высокой квалификации работников, так как при ее изготовлении используются обычные операции пайки, сварки, широко распр страненные в промьшленности Оптимальная для поджига разряда величина зазора между керамическими секциями разрядной трубки, задаваемая шириной кольцевых выступов фланцев металлической секции, определена экспериментально и лежит в пределах 0,1 D h D, где D - внутренний диаметр кольцевого выступа фланца При ширине выступа h больше величины D возрастает интенсивность ионной бомбардировки- поверхности втулки и, следовательно, выделение вредных примесей и распьшение ее материала. что оказывает вредное влияние на характеристики активного элемента лазера в процессе срока службыо При ширине h меньше 0,1 D она становится соизмеримой с длиной свободного пробега электронов в рабочем газе, зажигание разряда затрудняется и требуется увеличение амплитуды импульса поджига. Длина цилиндра 9 не должна превышать величину зазора между секциями соленоида 12, составляницую не более 0,2 длины разрядной трубкио Увеличение длины свободного от магнитного поля участка разрядной трубки приводит, с одной стороны, к увеличению критической величины тока, ас другой стороны, к снижению мощности излучения лазера Поэтому дпина этого участка должна выбираться с учетом указанных факторово В конструкции ионного газового лазера оптимальная длина зазора между секциями соленоида, свободного от магнитного поля, выбрана с таким расчетом, что критическая для плазменных колебаний величина тока разряда соответствует предельно допустимому для трубок из бериллиевой керамики рабочему значению Например, для водоохлаждаемых разрядных трубок из бериллиевой керамики с внутренним диаметром 2,5-3,0 мм и наружным диаметром 10 мм, которые применяются в ионных аргоновых лазерах, предельный ток разряда, вызывающий разрушение керамики, составляет соответственно 60-80 АО Предельный рабочий ток, который позволяет обеспечить срок службы активного элемента в несколько тысяч часов, обычно составляет 40-60 А соответственно для диаметров 2,5-3,0 ммо В конструкции лазера цилиндр 9, расположенный в зазоре между секциями соленоида и выполненный из магнитомягкого материала, экранирует от магнитных полей центральную часть разрядной трубки, что позволяет умень- шить зазор между секциями соленоида Экспериментально установлено, что в данном случае зазор между секциями соленоида может составлять не более 0,2 общей длины разрядной трубкИоПрд этом снижение мощности излучения,обусловленное отсутствием магнитного поля на данном участке, компенсируется увеличением разрядного тока Если же

цилиндр 9 выполнить из немагнитного материала, то секции соленоида необходимо разнести на большее расстояние для достижения желаемого эффекта, но при этом снижение мощности излучения уже невозможно будет скомпенсировать путем увеличения тока разряда.

Лазер работает следующим образомо

Зажигание разряда в газе, например аргоне, осуществляется высоковольтным импульсом, который подается от вторичной обмотки импульсного трансформатора на цилиндр 9 через пружинящий элемент 11 на фланцы металлической секции трубки, производит ионизацию газа непосредственно в разрядной трубкео При этом ионизации газа в обводной трубке не происходит, так как она соединяет концевые электродные участки активного элемента, а импульс поджига подается на фланцы, расположенные в центральной части разрядной трубки, что обеспечивает надежное зажигание разряда в разрядной трубке в широком диапазоне давлений рабочего газа, в том числе и при пониженном давлениио

Преимущества конструкции лазера заключаются в отсутствии колебаний тока и, следовательно, мощности излучения в широком диапазоне разрядных токово Это достигается тем, что центральная часть разрядной трубки расположена между секциями соленоида внутри цилиндра из магнитомягкого материала, т.ео в пространстве, где внешнее продольное магнитное поле отсутствует, .поэтому колебания возникают при больших токах разряда

Это связано с тем, что колебания тока возникают в результате пинч-эффекта на локальном участке в середине разрядной трубки, где плотность газа в разряде минимальна, так как этот участок наиболее удален от электродных концов трубки, давление газа в которых выравнено обводной трубкойс При отсутствии внешнего магнитного по1йг .на этом участке пинч-эффект возникает при больших токах разряда, чем при наложении внешнего магнитного поля о

Таким образом, конструкция ионного газового лазера обеспечивает стабильность мощности излучения мощного лазера, работающего при повьштенных токах разряда,, Особенно это важно для ионных лазеров УФ-диапазона, которые работают-при токах разряда, близких к предельно допустимому рабочему значению

Преимущество предпагаемой конструкции заключается также в том,что охлаждающая жидкость подается в рубашку через патрубки 10 цилиндра 9 и отводится через патрубки со стороны анода и катода (или наоборот) Это позволяет увеличить расход охлаждающей жидкости и, следовательно, эффективность охлаждения разрядной трубки, что увеличивает надежность прибора в процессе его эксплуатации

47

юг

Фиг. 2