ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ВЧ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

2
Полезная модель относится к квантовой электронике и может быть использована при производстве СО лазеров работающих в жестких механо - климатических условиях.
Известна конструкция волноводного газового лазера с ВЧ возбуждением, содержащая разрядный канал, образованный электродами и зеркалами, установленными на торцах канала. Изолированный ВЧ электрод имеет в центре стержень с резьбой. С помощью стержня изолированный электрод гайкой притянут к керамической пластине, которая служит верхней крышкой лазера. Керамическая пластина герметично спаяна с металлическим корпусом лазера, имеющего вид протяженной коробки. ВЧ энергия от генератора подводится к стержню ВЧ электрода. (См. пат. США №4481634, кл. 372/87, опубл. 1984 г.)
Недостатком известной конструкции является низкая надежность лазера при воздействии жестких механо- климатических факторов. Это объясняется следующим. На керамическую пластину несущую изолированный электрод передается тепловая энергия, выделяемая газовым разрядом, т.е. она набирает температуру, при этом температура корпуса - коробки более низкая, т.к. она охлаждается более эффективно. А при воздействии климатических факторов +50°÷-50° разница в температурах пластины и коробки еще более возрастает. В связи с тем, что у керамической пластины и металлической коробки разные коэффициенты линейного расширения, то протяженный по длине паянный герметичный шов будет испытывать большое напряжение. В результате чего произойдет треск керамики и разгерметизация паяных деталей. Кроме того, при механических воздействиях, например, удары, вибрация и т.д., висящий на одном стержне массивный (изолированный) ВЧ электрод будет испытывать инерционные нагрузки, которые приведут к смещению электрода вокруг оси стержня, что отрицательно скажется на работоспособность лазера.
Известна конструкция волноводного газового лазера с ВЧ возбуждением, содержащая разрядный канал, образованный ВЧ электродами и зеркалами, установленными на торцах канала. ВЧ энергия подводится к изолированному ВЧ электроду через ВЧ ввод, функцию которого выполняет коаксиальный ВЧ кабель. Экран ВЧ кабеля впаян в
отверстие корпуса лазера, а внутренний проводник (центральная жила) соединен с изолированным ВЧ электродом. (См. пат. США №4710941, кл. 372/87, опубл. 1987 г.)
Недостатком известной конструкции является низкая надежность при механо-климатических условиях, связанная с тем, что:
- экран ВЧ кабеля должен быть в виде протяженной металлической (медной) трубки, что необходимо для его герметичной пайки в отверстии корпуса лазера. ВЧ кабели с экраном в виде металлической трубки имеют маленький радиус изгиба, а это увеличивает поперечные размеры лазера, и снижает его устойчивость к механическим воздействиям;
- изоляционный материал ВЧ кабеля (обычно полиэтилен, фторопласт) не является надежным вакуумным уплотнением для проникновения атмосферы внутрь оболочки лазера. Особенно это скажется при низких отрицательных температурах, когда изоляционный материал «костенеет»;
- кроме того, изоляционный материал ВЧ кабеля имеет высокое давление насыщенных паров, что отрицательно скажется на рабочей газовой смеси при длительной эксплуатации.
2
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является СО лазер с ВЧ возбуждением содержащий разрядный канал (каналы), образованный ВЧ электродами и зеркалами, установленными на торцах канала. ВЧ энергия подается на изолированный электрод через ВЧ ввод, состоящий из специального болта с резьбой, который вкручивается в изолированный электрод и тефлонового уплотнителя, выполненного в виде небольшого колечка. (См. пат. США №5953360, кл. 372/87, опубл. 1999 г. - прототип)
Недостатком известной конструкции является низкая устойчивость при воздействии жестких механо-климатических факторов. Это связано с тем, что:
- при жестких механических воздействиях, висящий на ВЧ вводе изолированный электрод испытывает резонансные колебания, т.е. ВЧ болт будет вибрировать относительно отверстия оболочки лазера, что приведет к износу изолирующей прокладки и натеканию атмосферы в оболочку, при этом вероятен контакт ВЧ болта с оболочкой лазера;
- при работе лазера при минусовых температурах (например, при -50°С) изоляционная прокладка теряет свои упругие свойства и при включении лазера в первую очередь разогревается ВЧ электрод и связанный с ним болт, который при этом удлиняется и соответственно давление на «закостеневшую» прокладку уменьшается. В этот момент возможно натекание атмосферы в оболочку лазера.
2
Задача полезной модели - создание волноводного СО лазера с ВЧ возбуждением, устойчивого к жестким механо-климатическим воздействиям.
Технический результат может быть получен за счет предложенного конструктивного выполнения металлокерамического ВЧ ввода волноводного лазера с ВЧ возбуждением, изготовленного с применением жесткого закрепления элементов ВЧ ввода, а именно высокотемпературных паек, лазерной и микроплазменной сварок.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном газовом лазере с ВЧ возбуждением, содержащем расположенные в корпусе электроды, по крайней мере, один из которых соединен через ВЧ ввод, включающий болт с резьбой, с ВЧ генератором, ВЧ ввод выполнен из медного плоского проводника, на концах которого жестко закреплены металлический цилиндр со штырем для подключения к ВЧ генератору и болт с резьбой, при этом металлический цилиндр закреплен в металлическом фланце, расположенном в отверстии диэлектрической шайбы, которая установлена в цилиндрической втулке с бортиком, закрепленной в полости цилиндрического держателя, размещенного с внешней стороны корпуса лазера.
Такое конструктивное выполнение позволило создать металлокерамический ВЧ ввод с надежным электрическим контактом с изолированным электродом, выдерживающим эксплуатацию лазера в жестких механо-климатических условиях.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
2
На фиг.1 изображен волноводный СO лазер с ВЧ возбуждением.
На фиг.2 показано сечение волноводного лазера.
На фиг.3 представлен в изометрии ВЧ тракт, состоящий из плоского проводника, коварового болта и цилиндра со штырем.
На фиг.4 показан I-этап сборки ВЧ ввода.
На фиг.5 представлена в изометрии оснастка для закручивания болта в изолированный ВЧ электрод.
На фиг.6 показан II-этап сборки ВЧ ввода.
На фиг.7 представлен металлокерамический диск состоящий из диэлектрической шайбы, цилиндрической втулки с бортиком и металлического фланца.
На фиг.8 показан III-этап сборки ВЧ ввода.
Волноводный газовый лазер имеет корпус 1. в котором выполнены два разрядных канала 2, 3 (фиг.2), образованные изолированным (центральным) электродом 4 (фиг.2), двумя крайними заземленными электродами 5, 6 и двумя керамическими пластинами 7, 8. На торцах корпуса размещены оптические элементы 9, 10. С внешней стороны на корпусе лазера размещен полый цилиндрический держатель 11, (фиг.1, 2) в котором жестко закреплена цилиндрическая втулка с бортиком 12, керамическая шайба 13 и металлический фланец 14, размещенный в отверстии шайбы 13. Во фланце 14 закреплен коваровый цилиндр 15 со штырем 16. Коваровый цилиндр 15 жестко связан с одним концом медного проводника 17, на противоположном конце которого закреплен коваровый болт с резьбой 18, вкрученный в изолированный ВЧ электрод 4 с помощью оснастки 19 (фиг.5). Штырь 16 коварового цилиндра 15 соединен с ВЧ генератором 20 через согласующую индуктивность 21.
Устройство работает следующим образом: - предварительно изготавливается ВЧ тракт, который состоит из коварового болта с резьбой 18, плоского медного проводника 17 и коварового цилиндра 15 со штырем 16, спаянных между собой медно-германиевым припоем (фиг.3); - изготавливается металлокерамический диск (фиг.7), который состоит из диэлектрической шайбы 13, (материал - керамика 22ХС), металлического фланца 14 и цилиндрической втулки с бортиком 12, которые герметично спаяны между собой медным припоем (фиг.7); - корпус лазера спаивается с полым цилиндрическим держателем 11 медным припоем.
В корпусе лазера размещается разрядная структура 4, 5, 6, 7, 8 и через полый цилиндрический держатель 11 (фиг.4) с помощью оснастки 19 (фиг.5) в изолированный электрод 4 вкручивается ВЧ тракт (фиг.4). Линейные размеры «h» ВЧ тракта (фиг.3) больше, чем предназначенный для него установочный размер «d» (фиг.8) - h>d. Поэтому плоскую часть медного проводника 17 специально изгибают (фиг.6). В полый цилиндрический держатель 11 (фиг.6) вставляют металлокерамический диск 12, 13, 14 (фиг.7) и штырем 16 коварового цилиндра 15 регулируют положение цилиндра 15 так, чтобы он оказался на одном уровне с металлическим фланцем 14 (фиг.8). После этого осуществляют герметизацию ВЧ ввода:
- шов «А» - лазерная сварка;
- шов «В» - микроплазменная сварка; (фиг.8)
Далее осуществляют установку зеркал 9, 10, их герметизацию и наполнение лазера рабочей смесью. Штырь 16 коварового цилиндра 15 соединяют с ВЧ генератором 20. Энергия от ВЧ генератора через ВЧ ввод подается на центральный электрод 4 и в разрядных каналах 2,3 возбуждается разряд.
Применение герметизирующей микроплазменной и лазерной сварки металлокерамического ВЧ ввода позволяет отказаться от применения уплотняющих резиновых (тефлоновых) прокладок и создать цельнопаянный металлокерамический лазер, надежно работающий в жестких механоклиматических воздействиях.
Специальный изгиб плоского медного проводника ВЧ тракта связан с тем, что в процессе эксплуатации в режиме климатических воздействий +50÷-50°С обычный (не изгибаемый) ВЧ тракт при разогревании расширяется, при этом резьбовое соединение болт - изолированный электрод расшатывается, особенно если электрод выполнен из Аl сплава. Это приводит к выходу из строя лазера. Использование изгиба в плоском медном проводнике позволяет компенсировать многократное расширение и уменьшение размеров ВЧ тракта, оставляя это соединение надежным в любых условиях эксплуатации лазера. Кроме того, это позволяет развязать линейное удлинение разрядной структуры относительно охлаждаемого корпуса, не нагружая при этом резьбовое соединение ВЧ болт - электрод.
Предлагаемая полезная модель волноводного лазера с ВЧ возбуждением использована в серийно выпускаемых лазерах: LCD-1A, LCD-10A, LCD-10WG, LCD-15W, LCD-10WG-2T, LCD-20A, LCD-30W, LCD-50W, ЛГН-802.
Приведенные примеры показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость по действующему законодательству».