РАЗРЯДНАЯ ТРУБКА ДЛЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к лазерной технике и в частности к газовым лазерам, работающим на газовой смеси, в состав которой входит двуокись углерода. Одна из основных проблем, стоящих на пути создания газовых лазеров непрерывного действия с большим сроком службы, использующих двуокись углерода, заключается в химической нестабильности активной среды такого лазера. Для преодоления этой проблемы используется либо непрерывная подача свежей смеси в разрядный объем, что значительно удорожает эксплуатацию лазера, либо восстановление химического состава активной среды лазера происходит на поверхности встроенного каталитического нейтрализатора.
Отличительной особенностью традиционно используемых для данной цели катализаторов является необходимость их нагрева до температуры несколько сот градусов Цельсия, что исключает их использование непосредственно в активной среде лазера. Перспективным направлением в этой области является использование металлических катализаторов, не требующих нагрева, которые могут быть нанесены непосредственно на стенку разрядной трубки.
Известна разрядная трубка для газового лазера, содержащая диэлектрический корпус, заполненный газовой средой, снабженный оптическим резонатором и средствами для горения в трубке газового разряда, при этом внутренняя поверхность корпуса покрыта слоем металлического золота, разделенным на отдельные, изолированные друг от друга электрически, фрагменты. Такое разбиение необходимо, чтобы исключить протекание тока по внутренним стенкам диэлектрического корпуса ("IEEE J. Quantum Electron", 1989, 25, №7 1695-1703 [1]). Недостатком известной конструкции является недостаточно высокий КПД использующего ее лазера. Это объясняется тем, что такое покрытие имеет относительно низкую каталитическую активность, что отрицательно влияет на дальнейшее повышение КПД.
Наиболее близкой к заявляемой по своей технической сущности и достигаемому результату является известная разрядная трубка для газового лазера, содержащая диэлектрический корпус, заполненный газовой средой, снабженный оптическим резонатором и средствами для горения в трубке газового разряда, при этом внутренняя поверхность корпуса покрыта частицами металлического золота без образования сплошного проводящего слоя (US 4756000 [2]).
2
Недостатком известных трубок является сложность их изготовления. В силу присущей такому покрытию электропроводности оно не может быть использовано в качестве каталитического покрытия в электроразрядном СО-лазере без сложной, а иногда и невозможной дополнительной обработки. Например, в [2] указывается, что для получения микроскопических изолированных островков золота предлагается нагревать покрытие до температуры 800°С-1100°С, что возможно только в частном случае нанесения покрытия на высокотемпературную керамику. В большинстве случаев покрытие наносится на стеклянные или металло-стеклянные трубки, нагрев которых до таких температур невозможен. Поэтому в этих случаях для уничтожения электропроводности покрытия предлагается создавать макроскопические островки в покрытии механическим путем, например удалением его части, что приводит к уменьшению площади покрытия, обращенного к усилительной среде, и снижает каталитическую активность покрытия в целом.
Заявляемая в качестве полезной модели разрядная трубка для газового лазера направлена на упрощение технологии ее изготовления и повышение выходной мощности и КПД использующих ее лазеров за счет повышения каталитической активности катализатора.
Указанный результат достигается тем, что разрядная трубка для газового лазера содержит диэлектрический или покрытый изнутри диэлектриком корпус, заполненный газовой средой, снабженный оптическим резонатором и средствами для горения в нем газового разряда, при этом обращенная к разряду поверхность диэлектрика покрыта равномерно распределенным слоем золотого катализатора из расчета 5-20 микрограммов золота на квадратный сантиметр.
Покрытие внутренней поверхности корпуса трубки золотом позволяет восстанавливать состав газовой смеси, используемой при работе лазера, и ее качество.
В ходе экспериментов авторы обнаружили, что в процессе нанесения золотого покрытия на внутреннюю поверхность диэлектрической трубки при ионном распылении золота из расчета от 5 до 20 микрограммов золота на квадратный сантиметр образуется покрытие, состоящее из микроскопических, изолированных друг от друга кристалликов золота (или кристаллитов), в которых атомы золота связаны между собой сильной металлической связью. При этом физическая толщина изолированных друг от друга кристалликов золота из-за сложной структуры кристаллитов, как правило, больше, чем массовая толщина. В экспериментах было установлено, что проводимость появляется при физической толщине покрытия (определенной косвенно по зависимости проводимости от толщины, выведенной из измерений методом многолучевой интерферометрии) 300 Ангстрем, что соответствует плотности напыления 30-35 микрограммов на квадратный сантиметр или 150-170 Ангстрем сплошного кристаллического золота. Факт отличия средней плотности образовавшегося покрытия от плотности сплошного кристаллического золота косвенно подтверждается также тем, что электрическая проводимость полученных слоев золота при физической толщине свыше 300 Ангстрем значительно меньше проводимости слоя кристаллического золота той же толщины, или даже соответствующей массовой толщины, а зависимость проводимости от толщины покрытия при толщинах 300-800 Ангстрем носит не линейный, а квадратичный характер (в отличие от проводимости сплошного кристаллического золота).
2
2
2
С другой стороны, известно, что максимальной каталитической активностью в отношении окисления моноокиси углерода до двуокиси, причем даже в отсутствие возбужденных молекул или атомов кислорода, обладают именно микроскопические кристаллы (до нескольких десятков атомов золота) размером порядка 5 нм (50 А) (см., например, Coadsorption of CO and Oon Selected Gold Clusters: Evidence for Efficient Room-Temperature COGeneration, William T. Wallace and Robert L. Whetten, J. AM. CHEM. SOC. 2002, 124, 7499-7505 [3]; Catalytic Role of Metal Oxides in Gold-Based Catalysts: A First Principles Study of CO Oxidation on TiO Supported Au, Zhi-Pan Liu, Xue-
Qing Gong, Jorge Kohanoff, Cristian Sanchez, and P. Hu, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2003, VOLUME 91, NUMBER 26 [4]; M. Haruta, Catal. Today, Vol. 36, p. 153 (1997) [5]; Oxidation of carbon monoxide over nanoparticles of cobalt oxides, Yeong-Jey Chen, Dai-en Wu and Chuin-tih Yeh, Rev.Adv. Mater. Sci., 5 (2003), 41-46 [6]; Supported Catalysts: Supported Catalysts: Copper, Silver & Gold on Transition Metal Oxides Copper, Silver & Gold on Transition Metal Oxides, A. Wolf, A. Lange de A. Wolf, A. Lange de Oliveira, C. Oliveira, C. Kiener, R. Kiener, R. Brinkmann Brinkmann, H., H. Bonnemann Bonnemann, F., F. Schuth Schuth, Report of Max-Planck-lnstitut fur Kohlenforschung, Mulheim an der Ruhr [7].
2
Таким образом, можно утверждать, что при данном способе нанесения и при данных толщинах образуется покрытие с наибольшей каталитической активностью в отношении восстановления СO.
Такое выполнение покрытия позволяет упростить технологию изготовления разрядной трубки, поскольку отсутствует необходимость разделения покрытия на отдельные фрагменты. Для того чтобы золотое покрытие выполняло свою функцию и при этом обладало достаточным электрическим сопротивлением, чтобы исключить возникновение шунтирующих токов, оно должно, как установлено экспериментально, выполняться из расчета 5 до 20 микрограммов золота на квадратный сантиметр.
Выполнение покрытия из расчета менее чем 5 микрограммов золота на квадратный сантиметр приводит к уменьшению эффективности катализатора. Выполнение же покрытия из расчета более чем 20 микрограммов золота на квадратный сантиметр может привести к снижению электрического сопротивления покрытия и протеканию через него шунтирующих токов.
Сущность заявляемой разрядной трубки для газового лазера поясняется примерами реализации и чертежом, на котором схематично показан продольный разрез фрагмента трубки.
Разрядная трубка содержит диэлектрический, либо покрытый изнутри диэлектриком 1 корпус, причем в качестве диэлектрика может быть использован любой подходящий для этой цели материал, например, керамика, кварц, сапфир, различные типы стекол. На внутреннюю поверхность диэлектрика наносится сплошной слой катализатора 2 содержащий требуемое количество золота. Нанесение покрытия осуществляется известными методами,
например, как описано в [1], [2]. Трубка снабжается глухим 3 и полупрозрачным 4 зеркалами, образующими оптический резонатор лазера. Кроме того, лазер, в котором используется трубка, содержит все необходимые функциональные блоки и узлы, обеспечивающие его работоспособность (на чертежах не показаны, как не отражающие сущность внесенных в конструкцию трубки изменений). Сама трубка может использоваться как в проточных лазерах, так и быть отпаянной после заполнения ее газовой средой требуемого состава.
Разрядная трубка для газового лазера используется следующим образом. Корпус 1 с нанесенным покрытием 2 после отпайки или подключения к средствам, обеспечивающим циркуляцию газовой среды через внутренний объем корпуса, устанавливается между зеркалами 3 и 4, после чего с помощью известных средств, входящих в состав лазера, во внутреннем объеме создается тлеющий электрический разряд, в результате чего формируется лазерное излучение. В процессе эксплуатации лазера без использования катализатора происходит ухудшение состава газовой смеси за счет значительной диссоциации двуокиси углерода (до 70-80%) на окись углерода и кислород. Если же внутренняя поверхность разрядной трубки покрыта золотым катализатором, то на его поверхности происходит процесс рекомбинации окиси углерода и кислорода в двуокись углерода. В результате этого концентрация двуокиси углерода сохраняется на уровне 75-80% от уровня первоначальной, что приводит к существенному (до 2 раз) повышению мощности лазера как в проточном, так и в отпаянном режимах.