СПОСОБ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОЧИСТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ РЕЗОНАТОРА ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА
ION-PLASMA CLEANING OF GAS LASER RESONATOR INNER SURFACE

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к способам очистки газоразрядных приборов, например резонаторов моноблочных газовых лазеров, в процессе технологической обработки.
Известен способ очистки электровакуумных и газоразрядных приборов, заключающийся в ионной бомбардировке поверхностей газоразрядного прибора в газовом разряде при непрерывном изменении давления в процессе откачки газов в приборе, причем одновременно объем облучается ультразвуком с плотностью, достаточной для удаления адсорбированных веществ [1].
Известен способ очистки внутренних поверхностей электровакуумных приборов путем возбуждения газового разряда на частоте электромагнитного резонанса очищаемого междуэлектродного пространства, чтобы не нарушались свойства электродов [2].
Указанные способы не позволяют провести очистку всего внутреннего объема прибора, так как при этом происходит обработка части внутреннего объема, а именно части рабочего канала. В случае прибора со сложной конфигурацией внутренних полостей и капилляров нахождение значения электромагнитного резонанса очищаемого пространства является затруднительным и очистка таким способом неприемлема. При этом не происходит очистки рабочей поверхности собственных электродов прибора, а также нет возможности выносить нелетучие продукты очистки за пределы корпуса очищаемого прибора из-за отсутствия дополнительных съемных конструктивных элементов - коллекторов загрязнений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ ионно-плазменной очистки внутренней поверхности резонатора газового лазера на тлеющем разряде [3], в котором проводят установку корпуса резонатора газового лазера на откачной пост, высоковакуумную откачку и наполнение газом, создание тлеющего разряда между электродами, тренировку и стабилизацию собственных электродов. Холодный катод выполнен в виде проводящего покрытия на боковой поверхности герметизированной цилиндрической катодной полости. Постоянное напряжение подается к катоду и электродам, в качестве которых выступают собственные аноды лазера. После соответствующей откачки и наполнения требуемым газом проводят обработку лазера в тлеющем разряде, последовательно в неоне и кислороде при отрицательной полярности напряжения на катоде, затем - в разряде неона при положительной полярности напряжения на катоде. Заканчивают обработку в лазерной гелий-неоновой смеси.
Недостатком этого способа является невозможность осуществления однонаправленного выноса твердых микрочастиц за пределы корпуса. Сначала катод обрабатывается под отрицательным потенциалом в разряде неона, при этом загрязнения вследствие катодного распыления с его поверхности распространяются по газоразрядному промежутку вплоть до второго электрода - анода. Затем в разряде электроотрицательного газа - кислорода, загрязнения осаждаются на электроде с положительным потенциалом, в качестве которого выступает анод лазера (режимы 2 и 3 в примере прототипа [3] на этапе ионно-плазменной очистки полостей и каналов лазера).
Из очищаемого объема при откачке лазера при смене газа частично выносится только часть газообразных продуктов распада химических соединений, паров воды и остатков промывочных растворов после предыдущих технологических операций, не адсорбированных на стенках лазера.
Таким образом, твердые загрязнения внутренних поверхностей газового лазера не выносятся за пределы его корпуса, а перераспределяются между элементами конструкции резонатора. Это приводит к снижению срока службы газового лазера и сохраняемости его рабочих параметров.
Кроме того, в прототипе [3] на этапах ионно-плазменной очистки тлеющим разрядом полостей и каналов лазера между катодом и анодами при используемых параметрах процесса (время обработки до 30 мин при токе до 20 мА и давлении неона 2 мм рт.ст.) при подаче на собственные аноды лазера постоянного напряжения отрицательной полярности наблюдается распыление материала анодов (явление катодного распыления в тлеющем разряде) [4]. Непосредственно очистки внутренней поверхности лазера от загрязнений в этом случае не происходит.
При этом после окончания распыления анодов (после выполнения режимов 4 и 5 на этапе ионно-плазменной очистки в примере исполнения) часть распыленного вещества не успевает достичь поверхностей специальных выступов в катодной полости и неизбежно остается в газоразрядных каналах. Это приводит к дрейфу частиц материала анодов в капилляры резонатора во время эксплуатации лазера, когда на аноды подано напряжение положительной полярности и, в конечном итоге, к попаданию частиц на оптические элементы лазера, в частности на зеркала. Кроме того, наличие проводящих металлических частиц в виде пленок, осаждаемых при таких режимах на стенках капилляров, приводит к появлению токов утечки во время зажигания разряда в лазере. На практике это проявляется в повышении величины напряжения зажигания тлеющего разряда вплоть до невозможности включения разряда и получения генерации.
Таким образом, известный способ ионно-плазменной очистки не дает возможности эффективно очищать все внутренние поверхности корпуса резонатора лазера, включая очистку рабочих поверхностей собственных электродов, особенно в случае сложной внутренней конфигурации газоразрядных каналов, что приводит к снижению срока службы и сохраняемости рабочих параметров газового лазера.
Задачей данного изобретения является увеличение срока службы в 8-10 раз и сохраняемости газового лазера не менее чем в 2 раза за счет обеспечения ионно-плазменной очистки внутренней поверхности резонатора газового лазера, включая очистку рабочих поверхностей собственных электродов с сохранением их рабочих свойств, с однонаправленным выносом продуктов очистки в заранее заданном направлении за пределы корпуса резонатора, с последующим их полным удалением из очищаемого объема.
Указанная задача решается тем, что в известном способе ионно-плазменной очистки внутренней поверхности резонатора газового лазера, включающем установку корпуса резонатора газового лазера на откачной пост, высоковакуумную откачку и наполнение газом, создание тлеющего разряда между электродами, тренировку и стабилизацию собственных электродов, на корпус резонатора устанавливают съемные вспомогательные электроды, вакуумно-плотно ограничивающие его внутренний объем, после высоковакуумной откачки и наполнения резонатора инертным газом проводят ионную очистку внутренних каналов корпуса резонатора в тлеющем разряде постоянного тока путем зажигания и поддержания тлеющего разряда между парами вспомогательных электродов, ограничивающих контур резонатора, с сохранением знака полярности напряжения на каждом из вспомогательных электродов при обработке любых газоразрядных промежутков, проводят последовательно ионную очистку собственного катода, затем анодов газового лазера при подаче на них отрицательной полярности напряжения постоянного тока в парах с соответствующими вспомогательными электродами положительной полярности, меняют знаки полярности напряжения постоянного тока на электродах на противоположные и проводят ионную очистку приэлектродных поверхностей корпуса резонатора газового лазера с использованием соответствующих вспомогательных электродов с отрицательной полярностью, после высоковакуумной откачки и наполнения резонатора кислородом проводят ионно-плазменную очистку внутренних каналов корпуса резонатора в тлеющем разряде кислорода путем зажигания и поддержания тлеющего разряда между парами вспомогательных электродов с измененными на противоположные полярностями напряжения по сравнению с этапом ионной очистки внутренних каналов с сохранением знака полярности напряжения на каждом из вспомогательных электродов при обработке любых газоразрядных промежутков на этом этапе, затем проводят ионно-плазменную очистку собственного катода и подводящих к нему полостей корпуса резонатора газового лазера путем зажигания и поддержания тлеющего разряда между катодом с отрицательной полярностью напряжения постоянного тока и вспомогательным электродом с положительной полярностью, после тренировки и стабилизации собственных электродов газового лазера вспомогательные электроды снимают с корпуса резонатора, причем величину тока газовых разрядов устанавливают не ниже величины рабочего тока газового лазера, при этом величины давления наполнения инертным газом на этапах ионной очистки выбирают не выше половины величины давления рабочего наполнения газового лазера, кислородом на этапах ионно-плазменной очистки - не ниже половины величины давления рабочего наполнения.
На чертеже представлена схема газоразрядных промежутков корпуса резонатора газового лазера со вспомогательными электродами, поясняющая реализацию предлагаемого способа.
В корпус резонатора кольцевого моноблочного газового лазера устанавливают собственные электроды - холодный катод К (поз.1 на чертеже), два анода - А1 (поз.2) и А2 (поз.3) и два поджигающих электрода - П1 (поз.4) и П2 (поз.5). На концах газоразрядных каналов, ограничивающих контур резонатора, в данном случае на посадочных местах для установки зеркал, вакуумно-плотно устанавливают, например, на оптическом контакте, вспомогательные холодные электроды - ВЭ1 (поз.6), ВЭ2 (поз.7), ВЭ3 (поз.8), ВЭ4 (поз.9), служащие коллекторами загрязнений на всех этапах ионно-плазменной очистки, что является ключевым отличием от аналогов и прототипа и принципиально для получения положительного результата при проведения предложенного процесса очистки резонатора. Собранный корпус монтируют на откачной вакуумный пост, проверяют на вакуумную плотность, откачивают до высокого вакуума и наполняют на первом этапе обработки инертным газом с массовым числом не менее 20 до давления не выше половины величины давления рабочего наполнения газового лазера.
Проводят ионную очистку внутренних каналов корпуса резонатора в инертном газе (табл.1) посредством зажигания и поддержания газового разряда между парами вспомогательных электродов при определенных выбранных полярностях напряжения постоянного тока с сохранением выбранного знака полярности напряжения на каждом из электродов при обработке любых газоразрядных промежутков резонатора. Условие сохранения полярности напряжения постоянного тока на конкретном вспомогательном электроде является определяющим для обеспечения однонаправленности выноса продуктов очистки из очищаемого объема.
Выбор инертного газа в качестве очищающего газа на первом этапе, например неона, связан с тем, что химические методы очистки не всегда позволяют получать поверхность, свободную от органических растворителей, химических реагентов, пленок сложного состава, не взаимодействующих с растворителями. Учитывая, что состав загрязнений обычно неизвестен, то бомбардировка поверхности катода в тлеющем разряде ионами неона является наиболее эффективным методом удаления тонких поверхностных слоев посторонних образований с его поверхности.
Использование тяжелых ионов инертных газов, в общем случае, более эффективно очищает поверхности при ионной бомбардировке [4]. Неэффективность применения инертного газа с массовым числом менее 20, например, гелия-4, связано с его малым атомным весом, и с тем, что он легко диффундирует в стенки объема прибора, что негативно сказывается на составе рабочей смеси готового лазера. Напротив, для лазеров на гелий-неоновой смеси целесообразно использование неона, ионы которого не только проводят очистку поверхностей, но частично внедряются в образовавшиеся приповерхностные вакансии на внутрирезонаторных поверхностях и элементах конструкции и препятствуют адсорбции на внутренней поверхности резонатора водяных пленок из атмосферы при дальнейших технологических операциях сборки резонатора с зеркалами (или иными оптическими элементами) на места, занимаемые съемными вспомогательными электродами 6…9.
Величину тока разряда на этом этапе выбирают не ниже значения рабочего тока газового лазера, с тем чтобы интенсифицировать процессы ионной очистки каналов резонатора. Время обработки определяют по достижению стабилизации величины напряжения горения разряда для конкретного газоразрядного канала, но не менее 10-ти минут. Меньшее время не приводит к эффективной очистке каналов.
Давление неона выбирают не ниже давления, при котором (менее 0,01 мм рт.ст.) начинается катодное распыление материала электродов, в данном случае съемных вспомогательных электродов 8 и 9.
Далее проводят ионную очистку в разряде неона собственного катода 1, затем собственных анодов 2 и 3 газового лазера при подаче на них отрицательной полярности напряжения постоянного тока в парах с соответствующими вспомогательными электродами положительной полярности (табл.2). Бомбардировка электронами тлеющего разряда относительно больших по площади поверхностей вспомогательных электродов 8 и 9 не приводит к распылению сорбированных на них на предыдущем этапе продуктов очистки вследствие малой кинетической энергии бомбардирующих частиц.
Давление наполняющего газа выбирается повышенным относительно предыдущего этапа, но не выше половины величины давления рабочего наполнения лазера, равного 5,0 мм рт.ст., и не ниже 0,01 мм рт.ст. Верхняя граница давления определяется возможностью провести ионную очистку поверхностей от загрязнений и при этом гарантированно избежать ионного распыления материала рабочих поверхностей электродов, которые находятся под отрицательной полярностью напряжения (катод 1, собственные аноды 2, 3 и поджигающие электроды 4, 5). Нижняя величина давления определяется пределом, ниже которого начинается травление материала электродов, что в данном случае недопустимо из-за возможного загрязнения внутренних поверхностей резонатора продуктами распыления электродов. Короткое время (2 мин) обработки электродов с небольшой рабочей поверхностью (аноды 2, 3 и поджигающие электроды 4, 5), при малых токах позволяет избежать распыления материала этих элементов, но очищает их поверхности от загрязнений.
Затем меняют знаки полярности напряжения постоянного тока на электродах на противоположные и проводят ионную очистку приэлектродных поверхностей резонатора газового лазера с использованием соответствующих вспомогательных электродов с отрицательной полярностью (табл.3) от остатков распыления загрязнений с катода и анодов на предыдущем этапе. Разные значения времени обработки для разных пар электродов зависят от площадей поверхностей собственных электродов резонатора.
Проводят высоковакуумную откачку и наполнение резонатора кислородом до давления не выше половины величины давления рабочего наполнения газового лазера.
Для удаления органических загрязнений очистку поверхностей целесообразно проводить ионами кислорода, образующими с органическими соединениями летучие продукты взаимодействия. Кислород плазмы вступает в реакцию с молекулами на поверхности, расщепляя их и превращая в летучих соединений. Особенно эффективен при очистке от жира и масел, поэтому ионно-плазменную очистку внутренних каналов корпуса резонатора (табл.4) осуществляют в тлеющем разряде кислорода путем зажигания и поддержания тлеющего разряда между парами вспомогательных электродов с измененными на противоположные полярностями напряжения по сравнению с этапом ионной очистки внутренних каналов с сохранением знака полярности напряжения на каждом из вспомогательных электродов при обработке любых газоразрядных промежутков. Перемена знака полярности на электродах по сравнению с очисткой в инертном газе является принципиально важной и позволяет осуществлять однонаправленность выноса продуктов очистки на вспомогательные электроды положительной полярности 8 и 9.
Далее проводят ионно-плазменную очистку собственного катода и подводящих к нему полостей резонатора газового лазера (табл.5) путем зажигания и поддержания тлеющего разряда между катодом с отрицательной полярностью напряжения постоянного тока и вспомогательным электродом с положительной полярностью. На этом этапе давление кислорода выбирают повышенным, а ток разряда - меньше, чем на предыдущем этапе в разряде кислорода, чтобы свести к минимуму возможность распыления собственного катода резонатора ионами активного электроотрицательного газа. Очистка рабочей поверхности собственного катода резонатора важна для газовых лазеров с малым внутренним объемом.
Затем проводят высоковакуумную откачку резонатора, при этом откачиваются кислород и газообразные продукты разложения продуктов очистки.
Заканчивают процесс тренировкой (табл.6) и стабилизацией параметров (табл.7) собственных электродов газового лазера. На этих этапах происходит окончательное сглаживание рельефа поверхности собственного катода лазера с насыщением приповерхностного слоя неоном (тренировка), а также формирование стабильных электрических параметров катода (стабилизация).
Вспомогательные электроды снимают с резонатора для установки в дальнейшем на эти места оптических элементов лазера. При этом вспомогательные электроды 8 и 9 содержат на своей рабочей поверхности продукты очистки резонатора; в то же время электроды 6 и 7 останутся практически без загрязнений своих внутренних рабочих поверхностей. В предложенном способе наблюдается однонаправленный вынос загрязнений в тлеющем разряде кислорода на вспомогательные электроды положительной полярности.
Величину тока газовых разрядов устанавливают не ниже величины рабочего тока газового лазера на всех этапах обработки, чем обеспечивается повышение интенсивности процессов обработки.
Величины давления наполнения очищаемого резонатора инертным газом на этапах ионной очистки выбирают не выше половины величины давления рабочего наполнения газового лазера, кислородом на этапах ионно-плазменной очистки - не ниже половины величины давления рабочего наполнения.
Техническим результатом предлагаемого способа ионно-плазменной очистки внутренней поверхности резонатора газового лазера является обеспечение ионно-плазменной очистки внутренней поверхности корпуса резонатора газового лазера, включая очистку рабочих поверхностей собственных электродов с сохранением их рабочих свойств с однонаправленным выносом продуктов очистки в заранее заданном направлении за пределы корпуса резонатора с последующим их полным удалением из очищаемого объема.
Использование предлагаемого способа ионно-плазменной очистки позволяет увеличить срок службы газового лазера в 8-10 раз и время его сохраняемости не менее чем в 2 раза.
Источники информации
1. Авт. св-во СССР №290343 «Способ обработки электровакуумных и газоразрядных приборов».
2. Авт. св-во СССР №452879 «Способ очистки внутренних поверхностей электровакуумных приборов».
3. Патент РФ №2175804 «Газовый лазер на тлеющем разряде» - прототип.
4. Плешивцев Н.В. Катодное распыление. - М.: Атомиздат, 1968.