АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ
ACTIVE ELEMENT OF ALKALI METAL VAPOUR LASER

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании лазеров на парах щелочных металлов: рубидия, цезия, калия и т.д.
Известна конструкция активного элемента лазера на парах цезия (А.В. Богачев, С.Г. Гаранин, A.M. Дудов, В.А. Ерошенко и др. «Лазер на парах цезия с диодной накачкой и прокачкой лазерной среды по замкнутому циклу», Квантовая электроника, 2012, т. 42, №2, с. 95-98), содержащего металлическую лазерную камеру с внутренней полостью с активной средой и торцевые окна, прозрачные для лазерного излучения, герметизирующие рабочий объем. Активная среда представляет собой смесь буферных газов (метана и гелия) и паров цезия.
Пары щелочных металлов являются более агрессивным веществом, чем пары других металлов, поэтому осаждение паров активного вещества на поверхности оптических окон активного элемента приводит к снижению качества их покрытия и нагреву окон под воздействием лазерного излучения генерации или накачки, что может привести к их разрушению. Эти факторы ограничивают эффективность и долговечность работы лазера на парах щелочных металлов.
В данном устройстве использовалась система термостабилизации, поддерживающая температуру окон на 10°C выше температуры металлических частей активного элемента, что уменьшало вероятность осаждения паров активного вещества на поверхности оптических окон, но не устраняло эту проблему полностью.
Известна конструкция активного элемента лазера на парах металлов, в том числе щелочных (Патент RU №2023334, опубликован 15.11.1994), содержащего камеру с активной средой и концевые секции с оптическими окнами, причем концевые секции выполнены в виде трубчатых тонкостенных гофрированных элементов, изготовленных из стекла, с внутренним диаметром, равным диаметру пучка излучения. Активная среда представляет собой газовую смесь из паров металлов и буферного газа. Для предотвращения запыления внутренней поверхности окон и сохранения долговечности активного элемента концевые секции разделены узкими перетяжками на несколько резервуаров, предназначенных для блокирования распространения “прямых” конвективных потоков активной среды к оптическим окнам. Охлаждение стенок концевых секций обеспечивается за счет внешней естественной конвекции от гофрированной поверхности. Частицы активной среды и продукты химических реакций конденсируются на внутренней поверхности концевых секций, при этом существенно уменьшается вероятность их попадания на внутреннюю поверхность окон активного элемента.
Существенным недостатком данного изобретения является недостаточное охлаждение концевых секций: температура активной среды и корпуса активного элемента намного превышает температуру окружающей среды, и в условиях высокой мощности генерации концевые секции будут нагреваться до температуры, сравнимой с температурой стенок активного элемента. Кроме того, температура плавления щелочных металлов составляет величину порядка комнатной температуры, что намного ниже температуры плавления других металлов. Поэтому в данной конструкции при отсутствии принудительного охлаждения концевых секций пары активного вещества практически не будут осаждаться на внутренней поверхности концевых секций, а значит практически беспрепятственно будут попадать на оптические окна, уменьшая их пропускание и снижая эффективность работы лазера. Кроме того, в прототипе концевые секции выполнены из стекла, теплопроводность которого по сравнению с металлами невысока, что снижает эффективность отвода от них тепла.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение срока службы активного элемента лазера на парах щелочных металлов.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение вероятности оседания паров щелочных металлов на окнах активного элемента и взаимодействия их с материалами окон и просветляющих покрытий.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в активном элементе лазера на парах щелочных металлов, содержащем камеру с активной средой и оптические окна, прозрачные для лазерного излучения, причем в стенках камеры установлены трубчатые концевые секции, отделяющие оптические окна от стенок, новым является то, что каждая концевая секция выполнена металлической с ребристой внутренней поверхностью, снабжена рубашкой охлаждения, охватывающей внешнюю поверхность секции, причем внутри каждой секции установлены металлические диафрагмы с отверстиями, диаметр которых согласован с размером поперечного сечения пучка лазерного излучения. Активная среда представляет собой смесь по меньшей мере одного буферного газа и пара щелочного металла. Рубашка охлаждения секции содержит кольцевой канал, в котором обеспечена циркуляция хладагента (охлаждающей жидкости или газа).
Сущность изобретения заключается в следующем. В стенках камеры установлены концевые секции, отделяющие оптические окна, прозрачные для лазерного излучения, от стенок камеры. В связи с тем что внешняя поверхность секций принудительно охлаждается до температуры, меньшей температуры плавления щелочного металла, частицы активной среды конденсируется на ребристой внутренней поверхности секций. Кроме того, внутренний объем секций при помощи металлических диафрагм разделен на несколько резервуаров. При попадании рабочей газовой смеси (активной среды) в область концевых охлаждаемых секций в каждом из резервуаров возникает циркуляция смеси и происходит отклонение газового потока от осевого направления, при этом в процессе циркуляции частицы активной среды оседают на охлажденной внутренней поверхности секций и диафрагмах, что значительно уменьшает вероятность попадания паров щелочных металлов на окна активного элемента. Размер отверстий в диафрагмах подбирается таким образом, чтобы через отверстия беспрепятственно проходило лазерное излучение, при этом отверстия должны иметь как можно меньшую величину, чтобы циркуляция в резервуарах, на которые разделены секции, происходила более интенсивно. Выполнение внутренней поверхности секций ребристой и использование диафрагм для разделения объема секций на резервуары позволяет значительно увеличить площадь, на которой осаждаются пары щелочных металлов.
Скорость осаждения паров щелочного металла напрямую зависит от температуры стенок активного элемента. Для эффективного охлаждения внутренняя поверхность концевых секций выполняется из металла с достаточно высокой теплопроводностью, например меди. Принудительный теплоотвод от внешней поверхности секций обеспечен при помощи рубашки охлаждения, содержащей кольцевой канал, в котором обеспечена циркуляция охлаждающей жидкости или газа.
На Фиг. 1 показана конструкция лазерного активного элемента с концевыми секциями.
На Фиг. 2 приведено сечение концевой секции.
Активный элемент лазера на парах щелочных металлов содержит камеру 1 с активной средой и оптические окна 2, прозрачные для лазерного излучения, причем в стенках камеры установлены трубчатые концевые секции 3, отделяющие оптические окна от стенок, каждая секция снабжена рубашкой 4 охлаждения, причем внутри секции установлены металлические диафрагмы 5 с отверстиями, диаметр которых согласован с размером поперечного сечения пучка лазерного излучения. Рубашка 4 охлаждения охватывает внешнюю поверхность металлической секции и снабжена входным и выходным штуцерами 6.
Устройство работает следующим образом.
Газовая активная среда представляет собой смесь паров щелочного металла и буферных газов. В лазере используется торцевая накачка излучением лазерных диодов, которая вводится в активную среду через оптические окна 2 и фокусируется в плоскости центра камеры 1 активного элемента. В результате воздействия излучения накачки происходит формирование инверсии населенностей электронных уровней атомов щелочных металлов, и в лазере начинается генерация.
При попадании разогретой до рабочей температуры активной среды в область концевых секций 3 в каждом из резервуаров, на которые разделен их внутренний объем, возникает циркуляция газовой смеси с парами щелочного металла, которая конденсируется на диафрагмах 5 и внутренней поверхности секций, охлажденной при помощи протока хладагента в кольцевом канале рубашки 4.
В результате этого пары щелочного металла не доходят до оптических окон 2 активного элемента. Это позволяет предотвратить их деградацию и разрушение оптических окон.
В примере конкретного выполнения реализовано устройство со следующими параметрами. Активная среда представляет собой смесь из насыщенных паров щелочного металла (цезия) и буферных газов - гелия и метана. Давление гелия в активном элементе составляет 3,5 атм, давление метана - 0,3 атм. Диаметр оптических окон - 84 мм. Окна выполнены из кварца КУ-1. Концевые секции изготовлены из стали. На металлических деталях лазерной камеры были установлены нагреватели и датчики температуры, которые были включены в систему автоматической терморегуляции. Рабочая температура активной среды 120°C, температура на окнах и стенках концевых секций поддерживалась равной 15°C. Высота ребер внутренней поверхности концевых секций составляет 7 мм, эффективная длина концевых секций (расстояние от стенок активного элемента до окон) равно 70 мм. В каждой секции установлены 2 медные диафрагмы, механически соединенные с ребрами концевой секции, на расстоянии 18 и 34 мм от окон активного элемента. Внутренний диаметр диафрагм согласован с размерами поперечного сечения пучка излучения накачки, размер которого линейно уменьшается вдоль оптической оси от плоскости окон к плоскости центра активного элемента. Рубашка охлаждения, содержащая кольцевой канал, при помощи штуцеров соединена с контуром принудительного охлаждения, в котором при помощи насоса обеспечена циркуляция воды. При этом вода посредством гибких шлангов поступает на теплообменник, где охлаждается до необходимой температуры, после чего вновь возвращается в контур.
В течение 200 ч поддержания активного элемента в рабочем режиме с необходимыми значениями температуры активной среды и 50 ч воздействия на окна непрерывным лазерным излучением разрушения оптических окон не произошло. Основная масса загрязняющих веществ осела на металлических деталях концевых секций, при этом пропускание окон в течение всего времени работы активного элемента не менялось.