Ионный газовый лазер

 

СО)ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (gg)g Н 01 8 3/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И А ВТОРСНОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 3249766/25 (22) 20.02.81 (46) 23.03.91. Бюл. И - 11 (72) M. К.,Дятлов, В. Г.Левин, Г.И.Малькова, Б.П.Мирецкий и В.Ф.Москаленко (53) 621.375.8(088.8) (54)(57) ИОН111К ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий 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, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности мощности излучения и надежности в работе, соленоид выполнен из двух секциФ, разделенных в центральной части

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, соединяющую электродные участки, Трубки помещены в соленоиды, Известная конструкция ионного лазера позволяет повысить мощность излу2 трубки зазором, центральная металлическая секция трубки образована двумя фланцами с кольцевым выступом, участок рубашки охлаждения, расположенный в зазоре соленоида, выполнен в виде цилиндра из магнитомягкого материала, фпанцы металлической секции трубки и цилиндр рубашки охлаждения электрически соединены с блоком поджига, при этом длина цилиндра не превьппает величину зазора между секциями соленоида, составляющую не более

0,2. длины разрядной трубки, а ширина

h кольцевого выступа фпанцев метал" лической секции трубки лежит в пределах 0,1 D (h (D где D — - внутренний диаметр кольцевого выступа фпанцев. чения лазера путем увеличения активной длины разрядного промежутка.

Одним из недостатков лазера является 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 увеличении тока в каждой разрядной трубке, обусловленное возникновением колебаний тока.

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

Наиболее близким по технической

: сущности к .изобретению является ион9Ь5289 ный газовый лазер, содержащий активы И элемент с разрядной трубкой, выполненной из керамических и металлических чередующихся секций и поме5 щенной в рубашку охлаждения, соленоид, окружающий активный элемент, и источник питания с блоком поджига.

В известном лазере разрядная трубка соединена герметично с катодной ð колбой и трубчатым анодом. В катодной колбе размещен прямоканальный спиральный катод.. Разрядная трубка, катодная колба и анод помещены в рубашку

С патрубками у катода и анода для 15 прохода охлаждающей жидкости. Анодный и катодный участки соединены обводной трубкой.

Преимущества известной конструкции лазера заключаются в ее просто- 2р те и надежности, так как она содержит только два электрода (анод и катод), одну рубашку охлаждения и одну обводную трубку и не требует сдвоенных источника питания и блока поджи- 25 га. Большая длина активной части разрядного промежутка обеспечивает повышенную мощность излучения лазера.

Недостатками этой конструкции являются низкая надежность при включении прибора; невысокая стабильность мощности излучения из-за возникновения пинч-эффекта, Кроме того, при увеличении длины разрядной трубки повышается гидравлическое сопротивление рубашки, что приводит к уменьшению расхода охлаждающей жидкости, возрастает температура жидкости на выходе, в результате значительно снижается эф- 40 фективность охлаждения разрядной трубки. Это ограничивает мощность излучения и срок службы, а следовательно, надежность работы лазера.Для устранения этого недостатка необхо- 45 димо увеличить давление охлаждающей жидкости на входном патрубке, что усложняет систему охлаждения лазера и затрудняет его эксплуатацию. Увеличение давления жидкости в рубашке тре-5р бует повышения ее, механической прочности и связано с усложнением конструкции активного элемента лазера.

Целью изобретения является повышение стабильности мощности излучения

) и 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 фпанцами с кольцевым выступом, участок рубашки охлаждения, расположенный в зазоре соленоида, выполнен в виде цилиндра из магнитомягкого материала, фланцы метй лической секции трубки и цилиндр рубашки охлаждения электрически соединены с блоком поджига, при этом длина цилиндра не превышает величину зазора между секциями соленоида, составляющую 0,2 длины разрядной трубы, а ширина h кольцевого выступа фланцев металлической секции трубки лежит в пределах 0,1 D С h < D, где D — внутренний диаметр кольцевого выступа фланцев.

На фиг.l показан газовый лазер на фиг,2 — вид А на фиг,l, 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 секций. К концам трубки припаяны цилиндрический анодный узел 3 и через металлический переходник 4 катодная колба 5, в которой расположен прямоканальный спиральный катод 6.

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

Катодная колба соединена обводной трубкой 8 с анодной областью активного элемента. Часть рубашки, окружающая центральный участок разрядной трубки, выполнена из магнитомягкого материала, например ковара, в виде цилиндра 9 с боковыми патрубками 10 для прохода. охлаждающей жидкости. Пру-, жинящий элемент ll служит для электрического соединения цилиндра с фланцами металлической секции трубки.

9 ь что оказывает вредное влияние на характеристики активного элемента лазера в процессе срока службы. При ширине h меньше 0,1 D она становится соизмеримой с длиной свободного про" бега электронов в рабочем газе, зажигание разряда затрудняется и требуется увеличение .амплитуды импульса поджига.

Длина цилиндра 9 ие должна превышать величину зазора между секциями соленоида 12, составляющую не более

0,2 длины разрядной трубки.

Увеличение длины свободного от магнитного поля участка разрядной трубки приводит, с одной стороны, к увеличению критической величины тока, а с другой стороны, к снижению мощности излучения лазера. Поэтому длина этого участка должна выбираться с учетом укаэанных факторов.

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 А. 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 мм.

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 ить зазор между секциями соленоида.

Экспериментально установлено, что в анном случае зазор между секциями оленоида может составлять не более ,2 общей цлины разрядной трубки.При том снижение иощности излучения,обуовленное отсутствием магнитного ноя на данном участке, компенсируется величением разрядного тока. Если же

5 96528

Активный элемент помещен в соленоид 12, состоящий из двух секций, расположенных так, что центральная часть разрядной трубки находится в свободном пространстве между секциями. Цилиндр 9 электрически соединен с вторичной обмоткой трансформатора поджига 13.

Конструкция ионного газового лазера может быть изготовлена следующим образом.

Секции трубки — катодную и анодную — вакуум-плотно соединяют между собой через металлические фпанцы плазменной или аргоно-дуговой сваркой, причем торцы втулок предварительно механически обрабатывают так, чтобы они были строго перпендикулярны внутренним каналам секций, что обес- 20 печивает их соосность и после сварки.

Собранную разрядную трубку с припаянной катодной колбой 5 и пружинящим элементом 11, приваренным к металлической секции, например, точеч- 25 ной сваркой, помещают в заранее изготовленную стеклянную рубашку 7 с коваровым цилиндром 9 в средней части.

Рубашку на концах герметично соединяют путем сварки или пайки с катодным и анодным.узлами, трубки. В катодную колбу заваривают ножку с аксиальным спиральным катодом 6, затем припаивают стеклянные патрубки с оптическими узлами и обводную трубку 8. Собранный таким образом активный элемент обрабатывают в вакууме и в разряде, а затем наполняют инертным газом до определенного давления.

Конструкция лазера технологична в 4 изготовлении и не требует сложного специального оборудования и высокой квалификации работников, так как при ее изготовлении используются обычные операции пайки, сварки, широко распро-, страненные в промышленности.

Оптимальная для поджига разряда величина зазора между керамическими секциями разрядной трубки, задаваемая шириной кольцевых выступов фланцев металлической секции, определена ш экспериментально и лежит в пределах

0,1 D .с h с D, где D — внутренний д диаметр кольцевого выступа фланца. с

При ширине выступа h больше вели- 0 чины Р возрастает интенсивность ион- э ной бомбардировки поверхности втулки сл и, следовательно, выделение вредных л примесей и распыление ее материала, у

965289 цилиндр 9 выполнить иэ 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 образом. 1ð

Зажигание разряда в газе, например аргоне, осуществляется высоковольтным импульсом, который подается от вторичной обмотки импульсного 15 трансформатора на. цилиндр 9 через пружинящий элемент 11 на фпанцы металлической секции трубки, производит ионизацию газа непосредственно в разрядной трубке. При этом ионизации га- 2О за в обводной трубке не происходит, так как она соединяет концевые электродные участки активного элемента, а импульс поджига подается на фланцы, /

25 расположенные в центральнои части разрядной трубки, что обеспечивает надежное зажигание разряда в разрядной трубке в широком диапазоне давлений рабочего газа, в том числе и при пониженном давлении.

Преимущества конструкции лазера заключаются в отсутствии колебаний тока и следовательно, мощности излу1 чения в широком диапазоне разрядных токов. Это достигается тем, что цент- З5 ральная часть разрядной трубки расположена между секциями соленоида внутри цилиндра из магнитомягкого материала, т. е. 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 трубкой.

При отсутствии внешнего магнитного поля .на этом участке пинч-эффект возникает при больших токах разряда, чем при наложении внешнего магнитного поля.

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

Преимущество предлагаемой конструкции заключается также в том,что охлаждающая жидкость подается в рубаш" ку 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.

965289

Составитель М. Грязнов

Редактор О.нркова Техред М,яндык Корректор M.Ñàìáoðñêàÿ

Заказ 1059 Тираж 308 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, 3-35, Раушская наб., д. 4/5

II 11

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101