Рабочая среда гелий-неонового лазера с холодным катодом

 

Изобретение относится к лазерной газоразрядной технике. В активную смесь газов гелия, неона и кислорода, кислорода вводится в соотношении P_O2/P_Σ = 10^-3-10^-2, где Р_О2 - парциальное давление кислорода в смеси активных газов; P_Σ - суммарное давление рабочей смеси. Технический результат изобретения: рабочая газовая смесь для лазера, обеспечивающая стабильность мощности и устранение частотных шумов в излучении. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано в технологическом процессе изготовления активных элементов для лазеров.

Известна рабочая среда, содержащая активную смесь и следы кислорода в активной среде лазера (пат. США 3860310, кл.316-26, опубл. 14.01.75 г.). Газовый лазер содержит полый цилиндрический катод из металла, покрытого окислом, и анод. Активный элемент откачивается и заполняется кислородом и тренируется в кислороде со сменой газа при давлении кислорода до Р=2 мм рт. ст. Затем после тренировки в активной смеси активный элемент наполняется ею и спаивается. Поскольку после тренировки в кислороде в активной среде остаются следы кислорода, то можно принять, что активная среда состоит из смеси трех газов гелия, неона и кислорода. Однако количество кислорода не нормируемо, что является недостатком для данного состава активной среды.

Известна активная среда для газоразрядных трубок лазеров, наполняемая рабочей смесью газов, в которой содержатся следы кислорода после обработки газоразрядной трубки (СССР а.с. 416797, кл. Н 01 S 3/22, опубл. 25.07.76 г. ). Газоразрядная трубка после термической обработки наполняется кислородом до давления 1,5-3 тор, возбуждается электрический разряд и трубка прогревается при температуре обезгаживания стекла, создавая тем самым избыток атомарного кислорода. Затем газоразрядная трубка обезгаживается и наполняется рабочей смесью, например, гелия и неона. Такая смесь содержит в своем составе кислород, количество которого не нормируемо, но его несколько больше, чем в первом аналоге. Ненормируемое количество кислорода приводит к тому, что может снижаться мощность лазерного излучения, поскольку мощность в зависимости от примеси кислорода имеет оптимум и при избытке кислорода снижается.

Известны способы устранения стратовых колебаний, например, за счет увеличения диаметра разрядного промежутка или снижения общего давления смеси, что приводит, наряду с устранением страт, к увеличению оптимального тока разряда (см. Л.С. Александров, В.А. Перебякин, B.А. Степанов, М.В. Чиркин. Неустойчивости плазмы разряда и флюктуации излучения гелий-неоновых лазеров // Обзоры по электронной технике. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. Вып. 3(1537) 1990). Работа при токах разряда менее оптимального приводит к снижению мощности лазерного излучения.

Наиболее близким по технической сущности является активная среда газового лазера, содержащая гелий и неон, в которую введен газ, способствующий гашению нижних энергетических состояний активной газовой среды (см. пат. США 3487333, кл. 331-94.5, опубл. 30.12.69 г.). В качестве такого газа может быть кислород, а также другие газы, например аргон. В обычном гелий-неоновом лазере инверсия между двумя возбужденными состояниями неона достигается путем использования гелия, метастабильные атомы которого активно заселяют верхний уровень. В результате генерации и столкновений с электронами нижние метастабильные состояния неона заселяются, ограничивая тем самым степень инверсии. Наибольшая степень инверсии достигается путем введения небольшого количества кислорода или аргона. Атомы при метастабильном состоянии неона не могут эффективно возвратиться до основного состояния с помощью излучения и кислород, смешанный с неоном, будет служить для гашения этого состояния с помощью диссоциативного переноса. Отмечается, что кислород не будет снижать мощность лазерного излучения, так как большая часть кислорода будет поглощаться катодом и стенками разрядной трубки. Однако, как показали эксперименты, зависимость мощности лазерного излучения от примеси кислорода имеет оптимум.

Недостатком данного способа создания активной среды является неуказанное количество добавок кислорода. Избыток кислорода приведет к снижению мощности лазерного излучения.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в создании такой смеси газов для активной среды лазера, чтобы мощность лазерного излучения не снижалась и отсутствовали частотные шумы в составе лазерного излучения (страты), которые могут быть погашены с помощью легкоионизуемой примеси газа.

Технический результат может быть получен за счет введения заданного количества примеси легкоионизуемого газа, например кислорода.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известную активную смесь газов гелия, неона и кислорода, кислорода вводится в следующем соотношении: P_O2/P_Σ = 10^-3-10^-2, где Р_О2 - парциальное давление кислорода в смеси активных газов; P_Σ - суммарное давление рабочей смеси.

Задание точного значения добавок кислорода позволит погасить возникающие стратовые колебания плазмы, не снижая при этом мощности лазерного излучения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизны" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня, заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлено количество примеси кислорода в активной среде, необходимое для устранения страт и не снижающее мощности лазерного излучения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский" уровень по действующему законодательству.

На фиг.1 представлена зависимость частоты появления страт от тока разряда активного элемента; на фиг.2 - зависимость мощности лазерного излучения от количества примеси кислорода.

Предлагаемая активная среда газоразрядного лазера содержит смесь гелия, неона общим давлением Р мм рт. ст., в которую добавлена примесь ~0,5% Р мм рт. ст. кислорода.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При включении тока разряда в активном элементе с внутренними зеркалами возникает генерация. Если нет необходимого и достаточного количества кислорода, то в спектре лазерного излучения возникают стратовые колебания, причем частота этих колебаний будет меняться с током разряда так, как показано на фиг.1. Если кислорода меньше, чем указано в соотношении, то страты не исчезают. Если кислорода больше, чем указано в соотношении, то фиг.2 мощность лазерного излучения начинает снижаться. С другой стороны, если активный элемент содержит холодный катод с окисной пленкой, то такой катод предварительно обрабатывается в кислороде и стенки разрядного капилляра, а также сам катод насыщается кислородом, в результате чего добавки кислорода не исчезают в процессе работы активного элемента. Такое обязательно случилось бы при горячем подогревном катоде или не обработанном в кислороде. В нашем случае в лазере с холодным катодом примесь кислорода находится в термодинамическом равновесии с активной смесью в разрядном промежутке.

Таким образом введение необходимого количества примеси кислорода позволяет в сочетании с традиционной обработкой газоразрядной трубки стабилизировать газовый состав и устранить стратовые колебания в разряде, что обеспечивает исключение частотных шумов в составе лазерного излучения.

Приводим пример практической реализации.

Активный элемент для лазера ЛГН-212-1 наполняется гелий-неоновой смесью в соотношении 10:1, общее давление смеси 4 тор. Добавки кислорода производились в предварительно обработанный активный элемент. Сначала наполнялся кислородом до давления 0,005 мм рт. ст. по вакуумметру, затем дополнялась до требуемого давления рабочей смесью. При этом мощность составляла ≅0,7 мВт в одночастотном режиме. Страты отсутствовали в области токов 3-5 мА. Рабочий ток активного элемента 4 мА.

Если добавки кислорода составляют величину меньше 0,001 мм рт. ст., например, 0,0005 мм рт. ст., то в активном элементе появляются стратовые колебания на частоте 1-2 МГц, при токах разряда 4-7 мА. Если давление примеси больше 0,01 мм рт. ст., например, 0,08 мм рт. ст., то мощность активного элемента снижается до ≅0,45 мВт.

В таблице приведены результаты испытаний активных элементов при различных добавках кислорода.

Таким образом, предлагаемый состав рабочей смеси позволяет подавить стратовые колебания в разряде, не снижая мощности лазерного излучения.

Таким образом, вышеприведенные сведения показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Формула изобретения

Рабочая среда гелий-неонового лазера с холодным катодом, содержащая смесь газов гелия, неона и кислорода, отличающаяся тем, что концентрация кислорода в рабочей среде составляет где мм рт. ст. - парциальное давление кислорода; P_Σ мм рт. ст. - суммарное давление рабочей смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3