Активный элемент лазера на парах металлов
ACTIVE ELEMENT OF A METAL VAPOR LASER

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к активным элементам (АЭ) лазера на парах металлов, и может быть использовано при их конструировании с целью повышения стабильности мощности излучения и долговечности без усложнения конструкции.
Отличительной особенностью данного класса лазеров является наличие паров активного вещества-металла: меди, золота, свинца, бария в плазме газового разряда. При включении газового разряда активное вещество в разрядном канале АЭ нагревается до плавления и часть его переходит в пар и участвует в процессах образования лазерной энергии.
Известен отпаянный саморазогревный АЭ лазера на парах меди, содержащий вакуумноплотную оболочку с двумя выходными окнами, внутри которой расположен керамический разрядный канал с активным веществом – кольца рабочего металла-меди, закрепленный соосно к оболочке через электродные узлы, теплоизолятор, расположенный между оболочкой и керамическим каналом, съемные экраны с элементами крепления к оболочке [Патент RU №2 644 985]. Съемные экраны предохраняют выходные окна от запыления примесями, выделяемыми теплоизолятором и элементами конструкции АЭ лазера в процессе термотренировки по обезгаживанию.
Недостатком этой конструкции является загрязнение активного вещества-меди в процессе термотренировки и как следствие снижение скорости испарения атомов меди и их концентрации в газоразрядном промежутке, что приводит к уменьшению мощности излучения и долговечности АЭ.
Наиболее близким техническим решением является конструкция промышленного отпаянного саморазогревного АЭ лазера на парах металлов, включающая керамический разрядный канал с активным веществом и электродами на концах (анод и катод), высокотемпературный теплоизолятор, расположенный между разрядным каналом и вакуумноплотной стеклянной оболочкой, концевые секции с оптическими окнами для выхода излучения. [Григорьянц А. Г., Казарян М. А., Лябин Н. А. Лазерная прецизионная микрообработка материалов. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017. – гл. 3 с.118 Рис.3.18]. Активный элемент заполнен буферным газом неоном, активным веществом является медь, но может быть и другой металл из перечисленных выше.
Для обеспечения эффективности работы АЭ разработан 3-х этапный технологический процесс тренировки по его обезгаживанию.
Однако это не обеспечивает достаточнуюстабильность мощности излучения, что ограничивает долговечность работы элемента.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности мощности излучения и как следствие повышение долговечности активного элемента.
Технический результат достигается тем, что активный элемент лазера на парах металлов содержит вакуумноплотную оболочку с двумя выходными окнами в концевых секциях, внутри оболочки расположен разрядный канал с размещенным в нем активным веществом-металлом, анод и катод. Теплоизолятор расположен между оболочкой и каналом. Со стороны анода в концевой секции размещен резервуар с молекулярным водородом и окном из металлической фольги, причем резервуар и канал соосны.
Резервуар может быть выполнен в форме двустенного цилиндра, при этом диаметр внутренней стенки цилиндра больше диаметра канала.
Резервуар может быть выполнен в форме трубчатой спирали.
Сечение трубки спирали может быть круглым или прямоугольным.
2
2
Через окно из металлической фольги резервуара происходит диффундирование Н в объём АЭ с буферным газом неоном, что позволяет поддерживать парциальное давление Н в газовом объеме и чистоту поверхности расплавленного металла, и  как следствие обеспечивать высокую стабильность мощности излучения при длительной наработке лазера.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 структурная схема предлагаемого активного элемента, где:         вакуумноплотная оболочка – 1;
выходные оптические окна – 2;
концевая секция – 3;
разрядный канал – 4;
активное вещество – 5;
анод – 6;
катод – 7;
теплоизолятор – 8;
резервуар с молекулярным водородом в форме двустенного цилиндра – 9;
окно из металлической фольги – 10;
место отпайки штенгеля резервуара –11.
На Фиг. 2 – резервуар в форме трубчатой спирали, где
резервуар с молекулярным водородом в форме спирали – 9;
окно из металлической фольги – 10;
место отпайки штенгеля резервуара – 11.
Пример.
2
Отпаянный саморазогревной активный элемент лазера на парах меди с в стеклянной вакуумноплотной оболочке 1 с выходными оптическими окнами 2 в концевых секциях 3 имеет керамический разрядный канал 4 с активным веществом 5 медью диаметром 14 мм. Электроды молибденовый анод 6 и вольфрам-бариевый катод 7 выполнены кольцевыми. Высокотемпературный трехслойный теплоизолятор 8 на основе полых микросфер марки Т, волокнистых материалов ВКВ-1 и Руrofiber 1600 расположен между разрядным каналом и оболочкой. Резервуар 9 с молекулярным водородом Н выполнен в форме двустенного цилиндра из стекла С52-1 с герметически запаянными торцами и окном 10, выполненном из никелевой фольги толщиной 100 мкм. Фольга обладает высокой проницаемостью для водорода. Внутренний диаметр резервуара 9 равен 28 мм, в 2 раза больше чем диаметр разрядного канала 4, что не экранирует проход лазерного пучка излучения. Наполнение резервуара 9 водородом производиться через стеклянный штенгель с последующей отпайкой 11. Резервуар 9 и разрядный канал 4 соосны.
Предлагаемый активный элемент лазера работает следующим образом.
Активный элемент наполнен буферным газом неоном. При подаче напряжения на электроды 6 и 7 происходит разогрев разрядного канала 4 с активным веществом-металлом 5 и резервуара 9 с водородом до рабочих температур. Металл превращается в жидкость и в результате испарения и диффузии атомы металла заполняют все пространство газоразрядного промежутка – разрядного канала 4. Водород из резервуара 9 диффундирует через металлическую фольгу 10 в газовый объем АЭ. Химическое воздействиеводорода на поверхность испарения расплавленного металла позволяет непрерывно поддерживать ее высокую чистоту, обеспечивать эффективные условия накачки и повысить стабильность генерации лазерного излучения и как следствие обеспечить высокую долговечность АЭ.
3
Ne
Эффективность изобретения проверена экспериментальным путем на примере промышленного отпаянного саморазогревного АЭ лазера на парах меди модели ГЛ-206И [КРПГ.433757.004-007 ТУ]. Давление буферного газа неона в АЭ с объёмом активной среды = 400 см составляло Р = 220 мм рт. ст. В оптимальном рабочем режиме температура керамического разрядного канала 4 с активным веществом-медью 5 составляла ~ 1600 ºС, температура резервуара с молекулярным водородом 9, выполненного в форме двустенного стеклянного цилиндра, – ~200 ºС.  Цилиндрический резервуар 9 фиксировался соосно относительно разрядного канала 4 с помощью пружинного элемента. Фольга окна 10 герметично припаяна к металлической втулке , которая впаяна в стеклянную трубку, а трубка впаяна в торец двустенного цилиндра 9. Наполнение резервуара водородом производилось через стеклянный штенгель с последующей отпайкой 11.
Испытания лазера с предлагаемым АЭ проводились в составе действующего промышленного технологического оборудования АЛТУ «Каравелла-2» [КРПГ.442162.005 ТУ] для прецизионной микрообработки материалов изделий электронной техники. Применение в АЭ резервуара 9 с молекулярным водородом позволило увеличить стабильность мощности излучения в 4 раза и как следствие увеличить долговечность в 2 раза.
пл
Конструкция АЭ при этом существенно не усложнилась. Эффективность лазера будет высокой, если в качестве активного вещества использовать золото (Т = 1064 ºС), барий (727 ºС) и свинец (327 ºС), т. к. температура плавления этих металлов ниже, чем у меди (1083 ºС) и, следовательно, АЭ будет испытывать меньшую температурную нагрузку, чем в случае с медью.