Способ поддержания и регулирования концентрации галогеноводорода в газоразрядной трубке лазера и газоразрядная трубка лазера на парах галогенидов металлов

Способ поддержания и регулирования концентрации галогеноводорода в газоразрядной трубке лазера и газоразрядная трубка лазера на парах галогенидов металлов

Реферат

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для создания и поддержания требуемой концентрации галогеноводорода в активной области газоразрядной трубки, а также для увеличения ресурса работы газовых лазеров, одним из компонентов газовой среды которых является галогеноводород, например лазеров на парах металлов и их галогенидов.

Известно [Little C.E. Metal vapor lasers: physics, engineering & applications. Chichester, UK: John Wiley & Sons Ltd. 1998. P. 139-143.], что добавка галогеноводорода в активную область газоразрядных трубок (ГРТ) лазеров на парах металлов и их галогенидов приводит к увеличению выходной мощности данных лазеров. Однако вследствие побочных химических реакций концентрация галогеноводорода в ГРТ изменяется по мере работы лазера. Это приводит к снижению мощности излучения лазера.

Известен способ поддержания концентрации галогеноводорода в ГРТ [Livingstone E.S., Jones D.R., Maitland A., Little C.E. Characteristics of a copper bromide laser with flowing Ne-HBr buffer gas // Opt. Quantum electron. 1992. V.24. P.73-82.], основанный на прокачке галогеноводорода через активную область. Недостатком использования этого способа является высокая стоимость эксплуатации лазера из-за повышенного расхода дорогостоящего благородного газа и галогеноводорода. а также необходимости дополнительного использования кислотоупорной арматуры и коммуникаций. Кроме этого, при работе с большими объемами галогеноводорода (что является необходимым для осуществления способа) существует опасность отравления обслуживающего персонала в случае утечки газа.

Известны способы поддержания необходимой концентрации компонентов рабочей смеси газовых лазеров, заключающиеся в размещении адсорберов в резервуарах, имеющих общий объем с полостью газоразрядной трубки. К ним относится способ, используемый в приборе для производства вынужденного инфракрасного излучения [US №3855543 A, 1974], в котором осуществляют поддержание концентрации паров воды в рабочей области ГРТ лазера при помощи цеолита. Для поддержания необходимой концентрации паров воды в газоразрядной трубке такого лазера цеолит предварительно насыщают парами воды, которые он при нагревании отдает в рабочую область. К таким способам относится также [JP 62109380 A, 1987], в котором описан способ простого контроля добавления газа - галогена для получения стабильной выходной мощности лазера в течение его работы, путем использования адсорбера галогенового газа, который адсорбирует газ при комнатной температуре и выделяет его при нагревании.

В [A 50 - Watt copper bromide laser. SPIE. 2001. V.4184. P.203-206] описан прибор, в нижней части активной зоны газоразрядной трубки которого расположены контейнеры для размещения бромида меди, при этом активная зона газоразрядной трубки с контейнерами окружена тепловой камерой, в которую вмонтированы нагреватели, а также содержатся средства контроля температуры контейнеров с бромидом меди.

Поддержание высокого уровня выходной мощности в вышеуказанном лазере осуществляют введением в ГРТ источника водорода. Данный способ поддержания выбран как прототип для предлагаемого в настоящем изобретении способа.

Однако этот источник не позволяет уменьшать концентрацию водорода в резонансной полости в случае его передозировки, т.к. водород в лазерах на парах галогенидов металлов вступает в химические реакции с галогенидом металла и находится в рабочей среде в виде галогеноводорода.

В качестве наиболее близкого аналога для предлагаемой газоразрядной трубки выбрана газоразрядная трубка лазера на парах галогенида металла [RU №2003104898, 2003]. Такая трубка является усовершенствованием ГРТ, описанной в [А 50 - Watt copper bromide laser. SPIE. 2001. V.4] 84. P.203-206]. К недостаткам такой ГРТ можно отнести незначительный ресурс работы, так как конструктивно не предусмотрена возможность введения галогеноводорода.

Задачей группы изобретений является увеличение уровня выходной мощности и ее стабилизация, а также увеличение ресурса работы газовых лазеров, в частности лазеров на парах металлов и их галогенидов.

Технический результат - контролируемая концентрация галогеноводорода в рабочей области газоразрядной трубки.

Поставленная задача достигается тем, что в способе поддержания и регулирования концентрации галогеноводорода в активной области газоразрядной трубки лазера в качестве источника галогеноводорода используют адсорбент, который предварительно размещают в емкости, имеющей общий объем с рабочей областью газоразрядной трубки, затем адсорбент насыщают галогеноводородом и для достижения требуемой концентрации галогеноводорода в активной области газоразрядной трубки нагревают его до температуры, соответствующей заданному давлению галогеноводорода над адсорбентом.

Кроме того, для поддержания требуемой концентрации галогеноводорода в газоразрядной трубке лазера на парах галогенида металла адсорбент насыщают соединением водорода с галогеном, выбранным из группы, состоящей из брома, хлора, йода.

Кроме того, в качестве адсорбента используют цеолит.

Кроме того, емкость размещают в холодной области газоразрядной трубки, где температура во время работы лазера не превышает 80°С.

Поставленная задача решается также тем, что, как и известная газоразрядная трубка лазера на парах галогенида металла, предлагаемая содержит вакуумно-плотную оболочку, снабженную, по крайней мере, двумя электродами и содержащую рабочее вещество, размещенное в контейнерах, выполненных равномерно по всей длине рабочего канала.

Новым является то, что она содержит, по крайней мере, одну дополнительную емкость, заполненную адсорбентом, насыщенным галогеноводородом, и имеющую общий объем с активной областью газоразрядной трубки.

Кроме того, в качестве рабочего вещества использован галогенид металла, например, бромид меди.

Кроме того, в качестве адсорбента, размещенного в дополнительной емкости, использован цеолит, насыщенный галогеноводородом, например бромистым водородом.

Кроме того, рабочий канал газоразрядной трубки наполнен буферным газом, например неоном.

Кроме того, дополнительная емкость припаяна к вакуумно-плотной оболочке между выходными окнами и ловушками.

Кроме того, емкость снабжена контролируемым и управляемым автономным нагревателем.

Лазеры па парах металлов (ЛПМ) являются одними из самых эффективных лазеров видимого диапазона спектра. Большая средняя мощность излучения, высокий кпд, высокое качество луча, возможность работы при высоких частотах следования импульсов делают их перспективными для применения во многих областях.

Из результатов исследований физических процессов в активной среде ЛПМ выявлено, что добавка небольших количеств галогеноводорода позволяет увеличить уровень выходной мощности в несколько раз. Однако до сих пор остается не решенной проблема удержания галогеноводорода в отпаянных газоразрядных трубках (ГРТ). Концентрация галогеноводорода в отпаянных ГРТ уменьшается в течение нескольких часов, что приводит к снижению выходной мощности лазера.

Заявляемая ГРТ снабжена устройством, представляющим собой емкость, заполненную адсорбентом, в частности цеолитом, насыщенным галогеноводородом. Добавка галогеноводорода в активную область ГРТ, так же как и чистого водорода, ведет к увеличению уровня выходной мощности излучения. В отличие от источника водорода, используемого в ГРТ [А 50 - Watt copper bromide laser. SPIE. 2000. V.4184. P.203-206], предлагаемое устройство, используемое как источник галогеноводорода и как средство поддержания его концентрации в рабочей области ГРТ, более технологично как в изготовлении, так и в использовании.

Способ осуществляют следующим образом.

Подбирается адсорбент, например цеолит, с размером пор, достаточным для адсорбции галогеноводорода. Адсорбент помещается в емкость, предусмотренную для него в конструкции, предлагаемой в настоящем изобретении газоразрядной трубки, и нагревается для дегазации в вакууме при температуре 400-550°С, затем емкость с адсорбентом охлаждается и адсорбент насыщается галогеноводородом. Далее при работе лазера для получения требуемой концентрации галогеноводорода адсорбент термостатируют при температуре, соответствующей требуемому давлению галогеноводорода. При охлаждении адсорбент обратимо адсорбирует галогеноводород. Таким образом, меняя температуру нагревания можно легко управлять концентрацией галогеноводорода в активной среде лазера.

Способ и газоразрядную трубку с предлагаемой дополнительной емкостью использовали в лазере на парах бромида меди.

На чертеже приведен общий вид лазера.

Вакуумно-плотная кварцевая оболочка 1 с электродами 2. рабочим каналом 3 и рабочим веществом 4, размещенным в контейнерах 5, содержит дополнительную емкость 6, заполненную адсорбентом 7. Емкость 6 припаяна к вакуумно-плотной оболочке 1 между выходными окнами 8 и ловушками 9 и снабжена контролируемым и управляемым автономным нагревателем 10.

К вакуумно-плотной оболочке 1 диаметром 1,1 см и длиной активной зоны 36 см припаивалась дополнительная емкость 6. в которую засыпали 150 грамм цеолита 13Å. Далее цеолит прогревали при температуре 400-550°С в вакууме 10^-3 мм рт.ст. до полной дегазации (обычно в течение 4-10 часов). Затем емкость охлаждается до комнатной температуры и напускается сухой бромистый водород под давлением 380 торр в течение 3 минут. Излишки бромистого водорода скачивают, добавляют в ГРТ буферный газ (в данном случае неон до давления 10-30 мм рт.ст.). После чего ГРТ отпаивается от вакуумной системы и готова к работе.

Когда ГРТ выводилась на стационарный режим работы без добавок HBr, ее средняя выходная мощность составляла 0,15 Вт. При нагреве емкости с цеолитом до 145°С мощность возрастала до 2,5 Вт. При стабилизации нагрева емкости с цеолитом такой уровень выходной мощности наблюдался в течение 1000 часов. Кроме того, цеолит как адсорбент при охлаждении адсорбирует не только HBr, но и различные примеси, которые неизбежно появляются в ГРТ в процессе наработки и ухудшают выходные характеристики лазера, таким образом дополнительно увеличивая срок службы ГРТ.

1. Способ поддержания и регулирования концентрации галогеноводорода в активной области газоразрядной трубки лазера, в котором в качестве источника галогеноводорода используют адсорбент, который предварительно размещают в емкости, имеющей общий объем с рабочей областью газоразрядной трубки, затем насыщают его галогеноводородом и для достижения требуемой концентрации галогеноводорода в рабочей области газоразрядной трубки адсорбент нагревают до температуры, соответствующей заданному давлению галогеноводорода над адсорбентом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для поддержания требуемой концентрации галогеноводорода в газоразрядной трубке лазера на парах галогенида металла адсорбент насыщают соединением водорода с галогеном, выбранным из группы, состоящей из брома, хлора, йода.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве адсорбента используют цеолит.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что емкость размещают в холодной области газоразрядной трубки, где температура во время работы лазера не превышает 80°С.

5. Газоразрядная трубка лазера на парах галогенида металла, содержащая вакуумно-плотную оболочку с выходными окнами на ее торцах, снабженную, по крайней мере, двумя электродами на ее концах, и рабочее вещество, размещенное в контейнерах, выполненных равномерно по всей длине рабочего канала, отличающаяся тем, что содержит, по крайней мере, одну дополнительную емкость, заполненную адсорбентом, насыщенным галогеноводородом, и имеющую общий объем с активной областью газоразрядной трубки.

6. Газоразрядная трубка по п.5, отличающаяся тем, что рабочим веществом является галогенид металла, например, бромид меди.

7. Газоразрядная трубка по п.5 или 6, отличающаяся тем, что в качестве адсорбента, размещенного в дополнительной емкости, использован цеолит, насыщенный галогеноводородом, например бромистым водородом.

8. Газоразрядная трубка по п.5, отличающаяся тем, что рабочий канал газоразрядной трубки наполнен буферным газом, например, неоном.

9. Газоразрядная трубка по п.5, отличающаяся тем, что дополнительная емкость припаяна к вакуумно-плотной оболочке между выходными окнами и ловушками.

10. Газоразрядная трубка по п.5 или 9, отличающаяся тем, что емкость снабжена контролируемым и управляемым автономным нагревателем.