Активный элемент импульсного газового лазера

 

(19)RU(11)1107734(13)C(51)  МПК ⁵    _H01S3/03Статус: по данным на 17.01.2013 - прекратил действиеПошлина:

(54) АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИМПУЛЬСНОГО ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Изобретение относится к устройствам со стимулированным излучением и может быть использовано в импульсных газовых лазерах (ИГЛ) с продольным разрядом, применяемых, в частности, в технологии изготовления пленочных микросхем, медицине, оптической локации. Известны лазеры на парах химических элементов, активный элемент которых содержит разрядный канал, электроды и концевые участки. Недостатком импульсного газоразрядного лазера является то, что в момент развития пробоя в рабочем канале активного элемента возникает звуковая волна с тем большей энергией, чем больший энерговклад вводится в разрядный промежуток. Эта волна выносит в концевые участки и на выходные окна механические загрязнения, что приводит к сокращению срока службы активного элемента лазера. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является активный элемент импульсного газового лазера на парах металлов, содержащий разрядный канал, электроды и концевые участки с выходными окнами. Трубка изготовлена из кварца или аналогичного термостойкого материала, поддерживается при высокой температуре, оптимальной для работы лазера с данными парами металла. Миграция пылевидных частиц рабочего вещества отсутствует, так как отсутствует причина их возникновения - наличие горячих и холодных зон в работающей лазерной трубке. Нагрев трубки предотвращает вынос легко летучих элементов, образованных испарением рабочего вещества. Однако эта конструкция не является эффективной для химических соединений, образованных при катодном распылении, а также окислении рабочего вещества при внесении его в разрядный промежуток. Осаждаясь, эти вещества загрязняют выходные окна активного элемента. Кроме того, продольная неоднородность выделения энергии в активном элементе предполагает наличие блока термостатирования, который должен строиться с учетом характера выделения энергии в активном элементе. Это приводит к дополнительным затратам энергии, снижая общий КПД лазера, хотя тепловая энергия, выделяемая в разряде, достаточна для самостоятельного разогрева активного элемента. Создание такой трубки, выдерживающей достаточно большие (например, 900^оС для свинца) температуры, технологически сложно и требует дополнительных затрат. Так как в разрядном промежутке происходит выделение тепловой энергии, то всегда существует градиент температур по длине активного элемента. Величина градиента температур определяется вводимой в разряд энергией. В этом случае конструкция нагревателя должна быть такова, чтобы он мог скомпенсировать градиент температур при разных энерговкладах (например, частотах повторения), что требует использования дополнительного блока регулировки нагревателя. Целью изобретения является устранение загрязнения выходных окон лазера пылевыми частицами без снижения его КПД. Указанная цель достигается тем, что в активном элементе импульсного газового лазера, содержащем разрядный канал, электроды и концевые участки, последние выполнены в виде акустического фильтра нижних частот как периодической структуры цилиндрических расширений и сужений с длинами ≅ L/2, первая ячейка которого расширение-сужение имеет длину расширения х₁, определяемую из соотношения x₁ ≥ , (1) а вторая x₂ ≅ , (2) причем l₁ < L;
d₁≥d;
d₁ < D₁ < 1,17L;
(3)
l₂ < L;
d₂ ≥d;
d₁ < D₂ < 1,17L, где l₁ - длина первой ячейки; d₁ - диаметр сужения первой ячейки; D₁ - диаметр расширения первой ячейки; l₂ - длина второй ячейки; d₂ и D₂диаметры соответственно сужения и расширения второй ячейки; L - длина разрядного канала; d - диаметр разрядного канала. На фиг. 1 изображен активный элемент лазера, разрез; на фиг. 2 - распределение давлений и скоростей в звуковой волне по длине разрядного промежутка. Активный элемент импульсного газоразрядного лазера имеет разрядный канал 1, электроды 2 и концевые участки, представляющие собой первую от электрода ячейку акустического фильтра нижних частот, состоящую из цилиндрического расширения 3 диаметром D₁ и длиной х₁ и сужения 4 диаметром d₁ и длиной (l₁ - x₁), и вторую ячейку, состоящую из цилиндрических расширения 5 диаметром D₂ и длиной х₂ и сужения 6 диаметром D₂ и длиной (l₂ - x₂), и заканчивается выходным окном лазера 7. Все цилиндрические расширения и сужения расположены соосно с разрядным каналом. Экспериментально установлено, что на длине разряда генерируется стоячая звуковая волна с частотой f_рез = . Для условия осуществления акустического фильтра нижних частот необходимо чтобы
- длина элементов трубки переменного сечения была короче четверти длины звуковой волны, генерируемой разрядом. Следовательно, длина ячейки расширение 3 - сужение 4 l₁ < λ /2 = L и ячейки расширение 5 - сужение 6 l₂ < λ /2 = L;
- диаметры ячеек расширение-сужение были ограничены соотношениями:
d₁ ≥ d; D₁ > d₁; d₂ ≥ d; D₂ > d₁. Из условия существования плоской звуковой волны в цилиндрическом активном элементе необходимо, чтобы стенки трубок были гладкими, а их радиус R_i < 0,293 λ . Следовательно, D₁ < 1,17L и D₂ < 1,17L. Активный элемент работает следующим образом. На частотах, близких к f = f_рез/n, где n = =1, 2, 3 ..., происходит раскачка стоячей звуковой волны с частотой f_рез. Пылевые частицы, попавшие в область максимума давления, получают импульс от узла скорости в сторону минимума давления, причем наибольший импульс будут иметь частицы, находящиеся вблизи электронов, что приводит к выносу пылевых частиц из разрядного канала (см. фиг. 2). Для рассмотрения работы концевых участков активного элемента воспользуемся электроакустической аналогией. Так, для устранения загрязнения выходных окон активного элемента пылевыми частицами вплотную к разрядному каналу 1 вводится расширение 3, что является аналогом электрической емкости, и далее от разрядного канала - сужение 4, что является аналогом электрического фильтра низких частот. Длины акустического фильтра могут быть взяты из соотношения (1) при задании величин l₁, d₁, D₁, взятых из неравенств (3). Система расширение 5 - сужение 6 - также аналог электрического фильтра нижних частот. Длины акустического фильтра могут быть взяты из соотношения (2) при задании величин l₂, d₂, D₂, взятых из неравенств (3). Пользуясь электроакустической аналогией, можно определить частоту среза для фильтра низкой частоты f_{рез ф} = , (4) где с - скорость звука в данной среде; S - площадь сечения сужения; V - объем расширения; l_e' = l' + 0,8 l = lʹ+0,8 , где l' - длина сужения ячейки фильтра. Принимая f_рез = и f_резф ≅ f_рез, после подстановок
S_1,2 = ;
f_рез = ;
l_1,2 = l_1,2+ 0,8 ;
V = x_1,2 ;
х_1,2 = l_1,2 - l'_1,2, где l_1,2 - длина ячейки фильтра,
S_р1,2 - площадь сечения расширений, в формулу (4) получается:
x₁ ≥ ,
x₂ ≅ . Второе расширение 5 выполняет роль большой емкости, включенной параллельно имеющейся цепи, и представляет собой малое акустическое сопротивление для звуковых волн низкой частоты. Экспериментально измерено затухание звуковой волны, выходящей из акустического фильтра. Затухание происходит по экспоненциальному закону вида: l , где y - длина концевого участка активного элемента. Затухание, необходимое для того, чтобы пыль не загрязняла выходное окно, оценивается в наших экспериментах как 14-15 дБ и достигается на расстоянии х₂, взятом из соотношения (2). Лазер проработал 50 ч без заметного загрязнения выходных окон активного элемента. Изобретение наиболее эффективно для лазеров с малой активной длиной, так как в этом случае область оптимальных частот для повторения импульсов возбуждения для получения максимальной мощности близка к основной частоте звуковых колебаний в трубке.

Формула изобретения

АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИМПУЛЬСНОГО ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА на парах химических элементов с продольным разрядом, содержащий разрядный канал, электроды и концевые участки с выходными окнами, отличающийся тем, что, с целью устранения загрязнения выходных окон лазера пылевыми частицами, концевые участки активного элемента выполнены в виде акустического фильтра нижних частот как периодической структуры цилиндрических расширений и сужений с длинами ≅ L / 2, первая ячейка которого расширение-сужение имеет длину расширения X₁, определяемую из выражения:
x₁ ≥ ,
а вторая
x₂ ≅ ,
причем
l₁ ≅ L₁ ,
d₁ ≅ d ,
d₁ < D₁ < 1,17L ,
l₂ < L , d₂ ≥ d₁ ,
d₁ < D₂ < 1,17L ,
где l₁ - длина первой ячейки;
d₁ - диаметр сужения первой ячейки;
D₁ - диаметр расширения первой ячейки;
l₂ - длина второй ячейки;
d₂ и D₂ - диаметры соответственно сужения и расширения второй ячейки;
L - длина разрядного канала;
d - диаметр разрядного канала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 23-2001

Извещение опубликовано: 20.08.2001        

---