ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к квантовой электронике и может быть использована для создания компактного, механически прочного, надежного, с высокими эксплутационными характеристиками Не-Хе лазера для применения в качестве источника инфракрасного диапазона излучения в газоанализаторах, волоконной оптике, астрофизике, а также в инфракрасной технике при юстировке сложных оптических систем ночного видения.
Известен ионный газовый лазер, содержащий разрядный канал, где происходит газовый разряд и, для выравнивания давления рабочего газа, линию возврата газа, образованную одним или несколькими обходными каналами. При этом длина и поперечное сечение каждого обходного канала превышает длину и поперечное сечение разрядного канала, а радиус разрядного канала не превышает 0,5 мм (см. заявка Германии №3932884, кл. H01S 3/03, опубл. 11.04.1991 г.)
Недостатком данного лазера является размер обходного канала, превышающего длину рабочего разрядного канала, что требует исполнения этого обходного канала в складном варианте. Это усложняет конструкцию лазера, делает ее механически непрочной и ненадежной. Кроме того, имеется ограничение по внутреннему диаметру рабочего разрядного канала - не более 0,5 мм, что сужает диапазон использования этого технического решения.
Известен ионный газовый лазер с горячим катодом, в котором для выравнивания давления в разрядном канале используется обводная трубка с электростатическим полем. Электростатическое поле создается экраном или сеткой, установленными внутри обводной трубки, с подведенным к ним потенциалом одного из электродов, например катода. Это препятствует электрическому пробою по обводной трубке и в тоже время обеспечивает выравнивание давления в газовом разрядном канале (см. патент США 3466567, кл. 331-94.5, опубл. 09.09.1969 г.)
Недостатком такого лазера является необходимость подвода на экран или сетку потенциала одного из электродов, что значительно усложняет конструкцию лазера, делает ее менее надежной в эксплуатации. Наличие экрана или сетки в обводной трубке не позволяют сделать ее компактной и, следовательно, увеличивают габаритные размеры
лазера. Кроме того, данное техническое решение не обеспечивает коаксиальной конструкции лазера.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является ионный лазер содержащий электроды, разрядный и обводной каналы и зеркала, причем обводной канал имеет форму спирали. Использование обводного канала обеспечивает выравнивание давления в разрядном канале, а его спиральная форма позволяет увеличить его длину по сравнению с разрядным каналом. Это увеличивает электрическое сопротивление обводного канала и снижает вероятность его электрического пробоя, (см. патент США №3582821 кл. 331-94.5, опубл. 01.06.1971 г. - прототип)
Недостатком такого лазера является спиральное исполнение обводного канала, что усложняет конструкцию и увеличивает трудоемкость лазера, делает его ненадежным в эксплуатации.
Задача полезной модели - создание надежного в эксплуатации, компактного, механически устойчивого, стабильного по мощности излучения атомарного Не-Хе лазера с заданным спектром излучения.
Технический результат достигается за счет конструктивного выполнения обводного канала и выбора соотношения диаметров обводного и разрядного каналов, обеспечивающих эффективное выравнивание давления газа в рабочем объеме активного элемента. Выбор газового наполнения Не-Хе лазера и использование зеркал с соответствующими оптическими характеристиками позволяют получить излучение в инфракрасном диапазоне. А выполнение Не-Хе лазера в виде коаксиальной конструкции обеспечивает его надежность, компактность, механическую устойчивость.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что газовый лазер, содержащий электроды, разрядный и обводной каналы и зеркала, лазер имеет коаксиальную конструкцию в виде коаксиального активного элемента с внутренними зеркалами, расположенными в деформируемых втулках и наполнен Не-Хе смесью, а разрядный канал со стороны анода соединен с оболочкой активного элемента через воронку, с которой соединены, по крайней мере, два обводных канала, закрепленных на разрядном канале, входящим вместе с обводными каналами в полость катода, при этом диаметр обводного канала d выбран из соотношения 0,6 D≤d≤0,7 D, где D диаметр разрядного канала, а оптические характеристики зеркал обеспечивают генерацию в инфракрасном диапазоне спектра излучения на длине волны 3,5 мкм.
Не-Хе лазер имеет коаксиальную конструкцию с внутренними зеркалами, закрепленными на деформируемых втулках, что позволяет проводить более точную и устойчивую юстировку, добиваясь максимальной мощности и стабильности излучения, а коаксиальность конструкции делает лазер более механически прочным, надежным и долговечным при эксплуатации. Обводной канал, соединяющий прианодное и прикатодное пространства выполнен в виде двух и более линейных трубок (каналов), Каждая трубка обводного канала выполнена с внутренним диаметром и длиной меньше внутреннего диаметра и длины разрядного канала и закреплена на разрядном канале. Линейная конструкция обводного канала проста в изготовлении, обеспечивает эффективное выравнивание давления в разрядном канале и, следовательно, препятствует колебанию и снижению мощности в процессе работы. Выбранный внутренний диаметр обводного канала обеспечивает высокое пробойное напряжение, что препятствует возникновению разряда в обводном канале. Использование Не-Хе наполнения и зеркал с соответствующими оптическими характеристиками, обеспечивает работу лазера в инфракрасном диапазоне излучения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
На Фиг.1 представлен общий вид Не-Хе лазера в сечении.
На Фиг.2 представлен Не-Хе лазер в поперечном разрезе.
Не-Хе лазер содержит коаксиальный активный элемент со стеклянной оболочкой 1, на торцах которой медным припоем герметично закреплены две металлические деформируемые втулки 2, 3. Во втулке 2 методом твердой пайки стеклоприпоем на основе стеклокристаллического цемента установлено «глухое» (высокоотражающее) зеркало 4. Кроме того, втулка 2 выполняет функцию анодного электрода. Во втулке 3 так же методом твердой пайки установлено «выходное» (полупрозрачное) зеркало 5. Часть втулки 3 находится внутри активного элемента и служит для подвижного крепления разрядного канала 6 (разрядного капилляра) с катодной стороны. Со стороны анода 2
разрядный канал 6 жестко соединен с оболочкой 1 лазера через воронку 7, с которой соединены, по крайней мере, два обводных канала 8. Обводные каналы 8 по всей длине примыкают к разрядному каналу 6 и скреплены с ним бандажными креплениями 9. Свободные концы обводных каналов 8 и противоположный аноду 2 конец разрядного канала 6 расположены в полости катода 10, выполненного из сплава алюминия. При этом обводные каналы 8 входят в полость катода на глубину не более 1/3 от длины катода. Активный элемент лазера наполнен газовой смесью гелия и ксенона в соотношении 30:1-50:1 при общем давлении P=(14÷16)/D, где D-диаметр разрядного канала 6 (разрядного капилляра). Диаметр каждого обводного канала d выбран из соотношения 0,6 D≤d≤0,7 D.
Не-Хе лазер работает следующим образом:
При подаче высокого напряжения на электроды 2, 10 в разрядном канале 6 возникает тлеющий газовый разряд, так как его пробойное напряжение ниже, чем в обводных каналах 8. В активном элементе начинается генерация излучения на длине волны 3,5 мкм. Ксенон является тяжелым газом, поэтому в процессе работы его возвращение по разрядному каналу 6 затруднено. Это могло бы привести к накоплению ксенона в прикатодной полости 11 и снижению мощности излучения, но благодаря обводным каналам 8 этого не происходит. Ксенон возвращается по ним в прианодную область 12.
Диаметр каждого обводного канала d выбран из соотношения 0,6 D≤d≤0,7 D, что обусловлено эффективным выравниванием давления газа в рабочем объеме и невозможностью пробоя газа по обводным каналам.
При диаметре d обводного канала менее 0,6D не будет достаточно эффективного возврата Хе в прианодную область, а при диаметре обводного канала d более 0,7D возможен пробой газа по обводным каналам.
Использование металлических с пластично-деформируемым участком втулок 2, 3 для крепления зеркал 4, 5 позволяет с высокой точностью юстировать зеркала и получать максимальную и стабильную выходную мощность излучения.
Приводим пример, доказывающий возможность практической реализации предлагаемой полезной модели в Не-Хе лазере типа ГНИК-3-К.
В лазере ГНИК-3К используется металло-стеклянный коаксиальный активный элемент с холодным катодом из сплава алюминия АД-1. Длина активного элемента лазера 900 мм. Диаметр разрядного канала В=3,0 мм. Активный элемент имеет два обводных канала диаметром 1,9 мм, которые входят в катод на 1/3 его длины. Рабочий объем активного элемента наполнен смесью Не-Хе в соотношении 30:1 при общем давлении 5,5 мм рт.ст. В качестве «глухого» - высокоотражающего зеркала используется зеркало с медным напылением. «Выходное»-полупрозрачное зеркало изготовлено методом электроннолучевого
распыления чередующихся четвертьволновых слоев из двуокиси гафния и двуокиси кремния и имеет пропускание на рабочей длине волны 3,5 мкм-70%. Зеркала установлены в пластично-деформируемых втулках. При разрядном рабочем токе 10 мА лазер имеет мощность излучения 15 мВт.
Предлагаемый лазер используются в качестве источника монохроматического излучения в различных областях науки и техники (в инфракрасной волоконной оптике, устройствах для юстировки сложных оптических систем в инфракрасном диапазоне, газоанализаторах и др.)
Приведенный пример показывают, что заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.