Газовый лазер

Газовый лазер

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Известны способы устранения стратовых колебаний за счет увеличения диаметра разрядного промежутка и снижения давления в нем (см. Привалов В.Е. "Газоразрядные лазеры в судовых измерительных комплексах", Изд-во "Судостроение", Ленинград, 1977 г., стр.69) - [I]. Кроме того, страты можно устранить путем добавления в состав активной среды газ, способствующий снизить электронную температуру.

Так, известен газовый лазер, в активную среду которого, включающую гелий и неон, введен газ, способствующий снижению нижних энергетических состояний активной газовой среды. В качестве такого газа может быть выбран кислород, а также другие газы, например аргон (см. пат. США 3487333, кл.331-94.5, опубл. 30.12.69 г.).

В гелий-неоновом лазере инверсия между двумя возбужденными состояниями неона достигается путем использования гелия, метастабильные атомы которого активно заселяют верхний уровень неона, участвующего в генерации. В результате генерации и столкновения 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.

Недостатком такого лазера является то, что в активной среде не указано количество добавок кислорода, а его избыток приводит к снижению мощности лазерного излучения.

Известен газовый лазер с холодным катодом, в котором в активной среде, включающей гелий, неон и кислород, последний находится в соотношении

P_O2/P_Σ=10^-3÷10^-2,

где Р_O2 - парциальное давление кислорода в смеси активных газов;

Р_Σ - суммарное давление рабочей смеси

(см. патент РФ №2194346, кл. H01S 3/22, опубл. 10.12.2002 г.).

Недостатком данного лазера является то, что способ подавления страт в нем имеет некоторую неоднозначность, поскольку для каждого активного элемента существует разброс по диаметру и длине капилляра, поэтому для отдельных активных элементов происходит подавление страт, а для других активных элементов добавки кислорода значительно снижают мощность лазерного излучения.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является конструкция He-Ne лазера, имеющая цилиндрическую оболочку, внутри которой расположены анод, полый цилиндрический катод и разрядный канал в виде капилляра, удерживаемый пружиной. Один конец разрядного канала частично входит в полость катода, а другой конец со стороны анода имеет форму усеченного конуса, большее основание которого соединено с цилиндрической оболочкой, причем длина усеченного конуса значительно меньше длины разрядного канала (см. пат. США №4240045, кл.331-94.5, опубл. 16.12.80 г. - прототип).

Недостатком данного устройства с точки зрения снижения вероятности появления страт является наличие в катоде резкого перехода от торца разрядного канала (капилляра), к стенкам катода, а страты возникают прежде всего в местах резких переходов. По теории и экспериментам В.Е.Привалова [I] частота страт в широких частях трубки (отростках) на порядок ниже, чем в разрядном капилляре, Страты зарождаются в катоде у торца разрядного капилляра, и модуляция стратами интенсивности лазерного излучения может достигать 100%.

Известно, см. [I], что частота страт выражается формулой

где Т_е - электронная температура в рабочей смеси,

р - давление в рабочей смеси,

r - радиус разрядного капилляра,

I - ток разрядного капилляра.

Как видно из формулы (1), на частоту появления страт влияет в наибольшей степени радиус разрядного канала. В меньшей степени частота страт зависит от электронной температуры Т_е. Ток и давление оказывают влияние в обратно пропорциональной степени. Таким образом, более эффективным способом снижения страт и приближения частоты страт к нулю будет изменение геометрии разрядного канала, так чтобы область резкого повышения глубины модуляции стратами перешла из разрядного капилляра в расширенную конусную часть разрядного канала.

Задача изобретения - создание такой конструкции газового лазера, которая позволяла бы исключить страты, вызывающие частотные шумы в составе лазерного излучения, без снижения его мощности.

Технический результат будет получен за счет изменения конфигурации разрядного канала и выполнения соотношения между высотой расширенной части разрядного канала и его длиной, что позволит перевести стратовые колебания в область нерабочих токов или в область с более низкой частотой излучения.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном газовом лазере, содержащем цилиндрическую оболочку, внутри которой расположены анод, полый цилиндрический катод и разрядный канал, один конец разрядного канала входит в полость катода, а другой конец со стороны анода имеет форму усеченного конуса, большее основание которого соединено с цилиндрической оболочкой и зеркала, расположенные в юстировочных втулках по торцам цилиндрической оболочки, отличающийся тем, что конец разрядного канала, входящий в полость катода, выполнен в виде второго усеченного конуса, большее основание которого повернуто к выводу катода, при этом отношение высоты «h» второго усеченного конуса к длине «l» разрядного канала находится в пределах 1:10≥h/l≥1:30.

Изменение конфигурации разрядного канала позволило разрядному капилляру плавно перейти в широкую катодную часть и выполнение соотношения между высотой второго усеченного конуса и длиной разрядного канала обеспечило устранение страт и частотных шумов лазерного излучения без снижения мощности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» 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 специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлены технические решения, в которых была бы возможность исключить частотные шумы в составе лазерного излучения без снижения мощности излучения за счет изменения конфигурации разрядного канала и выполнения соотношения между высотой расширенной части разрядного капилляра и его длиной, что позволит перевести стратовые колебания в область нерабочих токов или в область с более низкой частотой без снижения мощности излучения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

На чертеже показана конструкция заявляемого газового лазера.

Газовый лазер содержит цилиндрическую оболочку 1, внутри которой расположены анод 2, полый цилиндрический катод 3 и разрядный канал 4, один конец разрядного канала входит в полость катода, а другой конец со стороны анода 2 имеет форму усеченного конуса 5, большее основание которого соединено с цилиндрической оболочкой 1 и зеркала 6, 7, расположенные в юстировочных втулках 8 по торцам цилиндрической оболочки 1. Конец разрядного канала 4, входящий в полость катода 3, выполнен в виде второго усеченного конуса 9, большее основание которого повернуто к выводу 10 катода 3, при этом отношение высоты «h» второго усеченного конуса 9 к длине «l» разрядного канала 4 находится в пределах 1:10≥h/l≥1:30.

Лазер работает следующим образом. При подаче напряжения на электроды 2, 3 возбуждается тлеющий разряд в рабочей смеси, содержащей компоненты ³Не+²⁰Ne+²²Ne. На анод 2 подается высокое напряжение. Катод 3 имеет нулевой потенциал. Перпендикулярно разрядному каналу методом пластической деформации выставляются зеркала 7, расположенные в юстировочных втулках 8. Несущей конструкцией резонатора и одновременно вакуумной оболочкой служит цилиндрическая оболочка 1. Выбираем отношение высоты «h» второго усеченного конуса 9 к длине «l» разрядного канала 4 в пределах 1:10≥h/l≥1:30. Это связано с тем, что существование страт обусловлено несовпадением максимумов концентраций электронов и максимумов ионизации плазмы (в пространстве) см. [I]. Максимумы ионизации плазмы сдвинуты к катоду, откуда обычно и перемещается волна ионизации. Страты движутся со скоростью приблизительно 5×10⁵ см/с и создают колебания с собственной частотой. По мере приближения к аноду страты усиливаются, возникает эффект самоподдержания. Если увеличить диаметр разрядного канала вблизи катода и анода, то мы получаем, что экспотенциальное усиление страт будет предотвращено, т.к. резко изменяются условия появления страт. Это соответствует отношению h/l≈1/30. Однако глубина модуляции стратами может изменяться, т.е. возрасти, например из-за роста тока разряда и, как следствие, - возрастание электронной температуры, поэтому необходимо расширенный участок разрядного канала увеличить до значений h/l≈1/10. Другими словами соотношение 1/10≈h/l связано с тем, что слишком длинный второй усеченный конус уменьшает активную длину разрядного капилляра и снижает мощность излучения. С другой стороны, усеченный конус, длина которого h/l≤1/30, т.е. усеченный конус незначительной длины, не окажет влияния на уменьшение страт.

Определим критическое значение расширенной части разрядного канала, ниже длины которой происходит резкое нарастание амплитуды страт. Согласно формуле см. [I]

h≥1/а ln m/А,

где h - длина расширенной части разрядного канала (высота второго усеченного конуса);

1/а - коэффициент, равный 1/58 (м^-1), где а - инкремент затухания страт);

А - резкость страт в % (0,07%);

m - глубина модуляции стратами выходной мощности лазерного излучения (0,084%).

Данные приведены для активного элемента "Держава"

h≥1/58 ln 0,084%/0,07%=1/58 ln 1,2≈3 (мм),

где l=73 мм (длина разрядного канала).

Таким образом, предлагаемая конструкция газового лазера позволит подавить стратовые колебания в разряде, что обеспечит исключение частотных шумов в составе лазерного излучения, не снижая его мощность.

Вышеприведенные сведения показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Газовый лазер, содержащий цилиндрическую оболочку, внутри которой расположены анод, полый цилиндрический катод и разрядный канал, один конец разрядного канала входит в полость катода, а другой конец со стороны анода имеет форму усеченного конуса, большее основание которого соединено с цилиндрической оболочкой, и зеркала, расположенные в котировочных втулках по торцам цилиндрической оболочки, отличающийся тем, что конец разрядного канала, входящий в полость катода, выполнен в виде второго усеченного конуса, большее основание которого повернуто к выводу катода, при этом отношение высоты «h» второго усеченного конуса к длине «l» разрядного канала находится в пределах:

1:10≥h/l≤1:30.