Активный элемент лазера на парах металлов и способ его изготовления
ACTIVE LASER ELEMENT ON METAL VAPOUR AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к активным элементам лазера на парах металлов и способу их изготовления, и может быть использовано при изготовлении активных элементов лазера, применяемых для обработки материалов, а также в медицине, микроэлектронных технологиях, навигации и зондировании атмосферы.
Известен лазер на парах металла [1], активный элемент которого представляет собой керамическую разрядную трубку, окруженную пористым глиноземным теплоизолятором и помещенную в вакуумно-плотный корпус. Концы вакуумно-плотного корпуса содержат концевые элементы, которые содержат анод, катод и выходные окна. Вакуумно-плотный корпус окружен теплоизолятором, нагревательным элементом, который, в свою очередь, покрыт толстым слоем теплоизолятора, окруженного алюминиевой фольгой. Концевые элементы имеют входные и выходные патрубки для прокачки газообразной добавки, соединенные с системой подачи газа, внутри керамической разрядной трубки расположены навески рабочего металла. Введение специальной газообразной добавки обеспечивает повышение генерационных характеристик лазера. Недостатком аналога является необходимость прокачки газообразной добавки, что требует использования сложной газопрокачной внешней системы.
Известен способ изготовления лазерной нейтронной трубки [2]. Сначала изготавливают электроды, оптические окна и другие детали трубки, затем осуществляют их травление, электрохимическую полировку и отжиг в вакууме металлических деталей, а также керамических узлов. Далее производится монтаж трубки. Собранную трубку подвергают термообработке, при которой удаляются все примеси, после чего трубку откачивают до заданного давления, заполняют ее рабочей газовой средой и отпаивают. Данный способ содержит все основные операции изготовления лазерной трубки, однако не пригоден для изготовления разрядной трубки на парах металла.
Известна разрядная трубка лазера на парах металла [3]. Разрядная трубка лазера включает оболочку, окруженную экранирующим элементом, содержащую соосные с оболочкой кольцевые пазы с активным веществом, выполненные с внутренней стороны оболочки. Пазы выполнены глухими. К внутренней поверхности каждого из пазов плотно прилегает подложка из смачиваемого активным веществом материала с нанесенным на нее расплавом активного вещества. Внутренний диаметр подложки больше внутреннего диаметра оболочки. Оболочка выполнена из разделенных промежутками цилиндрических трубок, соединенных по внешнему диаметру втулками, установленными в металлические обоймы, плотно прилегающие к поверхностям втулок. Трубка является отпаянной и не требует компрессорного оборудования для прокачки буферного газа, в результате она имеет небольшие габариты. Недостатком аналога является запыляемость выходных окон парами металла и другими примесями, в частности, при термообработке в процессе удаления примесей из элементов конструкции трубки и теплоизолятора.
Известен активный элемент лазера на парах щелочных металлов [4]. Активный элемент лазера содержит камеру с активной средой и оптические окна, прозрачные для лазерного излучения. В стенках камеры установлены трубчатые концевые секции, отделяющие оптические окна от стенок. Каждая концевая секция выполнена металлической с ребристой внутренней поверхностью и снабжена рубашкой охлаждения, охватывающей внешнюю поверхность секции. Внутри каждой секции установлены металлические диафрагмы с отверстиями, диаметр которых согласован с размером поперечного сечения пучка лазерного излучения. Рубашка охлаждения секции содержит кольцевой канал, в котором обеспечена циркуляция хладагента. Аналог обеспечивает уменьшение вероятности оседания паров металлов на окнах кюветы и взаимодействия их с материалами окон и просветляющих покрытий. Недостатком аналога является использование хладоагента (охлаждающей жидкости или газа), что требует сложной системы подачи хладоагента в рубашку охлаждения.
В качестве прототипа выбрана конструкция и способ изготовления активного элемента на парах меди [5].
Основными узлами конструкции отпаянного саморазогревного активного элемента являются разрядный керамический канал, включающий генераторы паров меди и конденсоры паров меди, электроды - катод и анод, двухслойный теплоизолятор - внутренний, окружающий керамический канал, выполнен из высокотемпературного порошка, и внешний выполнен из температурностойкого волокнистого материала, имеется также вакуумно-плотная оболочка и концевые секции со штенгелями и окна для выхода лазерного излучения.
Способ изготовления активного элемента лазера предполагает его сборку и последующую термотренировку для удаления из него примесных газов и паров, выделяющихся из элементов его конструкции. Термотренировку проводят в два этапа - на первом этапе проводят откачку активного элемента, на втором проводят тренировку активного элемента в алюминиевом тепловом экране в режиме саморазогрева с прокачкой инертного газа при температуре, превышающей рабочую температуру активного элемента. После этого вакуумно-плотную оболочку заполняют буферным газом и отпаивают.
Недостатками прототипа являются запыление выходных окон примесями в процессе термотренировки, а также длительное время термотренировки.
Задачей технического решения является устранение запыления выходных окон примесями в процессе термотренировки, а также сокращение ее времени.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в активном элементе лазера на парах металлов, содержащем вакуумно-плотную оболочку с двумя выходными окнами, внутри которой расположен керамический канал с кольцами рабочего металла, закрепленный к оболочке через электродные узлы, при этом между оболочкой и керамическим каналом расположен теплоизолятор, предусмотрено следующее отличие, внутри вакуумно-плотной оболочки перед каждым окном дополнительно установлены съемные экраны с элементами крепления к оболочке.
В способе изготовления активного элемента лазера на парах металлов, в котором собирают керамический канал с кольцами рабочего металла, устанавливают его внутри вакуумно-плотной оболочки через слой теплоизолятора, прокачивают инертным газом при одновременном нагреве активного элемента лазера и затем отпаивают, предусмотрены следующие отличия, перед операцией сборки перед каждым окном с внутренней стороны вакуумно-плотной оболочки устанавливают съемные экраны, а после операции отпаивания бесконтактно удаляют экраны из проекции канала.
Кроме того, предложенный способ изготовления активного элемента лазера на парах металлов отличается тем, что экраны удаляют из проекции керамического канала путем разрушения элементов их крепления лазерным воздействием, фокусируя на них внешнее лазерное излучение через выходные окна активного элемента лазера.
Между совокупностью существенных признаков заявленного изобретения и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, съемные экраны защищают выходные окна от запыления при проведении термотренировки, а после отпаивания трубки они бесконтактно удаляются из проекции канала, не мешая прохождению лазерного излучения.
Техническое решение исключает запыление выходных окон при проведении термотренировки активного элемента, сохраняя прозрачность окон, что увеличивает мощность излучения активного элемента, а также позволяет использовать более интенсивный режим термотренировки, что сокращает время термотренировки до нескольких часов.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 содержит чертеж активного элемента лазера на парах металлов;
Фиг. 2 изображает процесс термотренировки активного элемента лазера;
Фиг. 3 изображает операцию лазерного разрушения крепления экрана.
На фиг. 1 изображена конструкция активного элемента лазера на парах металлов, основными элементами которой являются:
1 - вакуумно-плотная оболочка;
2 - выходные окна;
3 - крепления экрана;
4 - съемные экраны;
5 - электродный узел;
6 - керамический канал;
7 - теплоизолятор;
8 - рабочий металл.
Съемные экраны 4 с элементами крепления 3 предохраняют выходные окна 2 от запыления примесями, которые выделяются из теплоизолятора 7 и элементов конструкции активного элемента лазера в процессе термотренировки (обезгаживания). После запайки вакуумно-плотной оболочки 1 экраны 4 удаляются из канала (показано пунктиром).
На фиг. 2 показан процесс термотренировки активного элемента лазера. Фиг. 2 содержит входной 9 и выходной 10 штенгеля для прокачки инертного газа. На фиг. 2 показано, что при продувке инертным газом разрядного канала 6 и теплоизоляторатора 7 поток газа, выносящий примеси из теплоизолятора и других элементов трубки в процессе термотренировки, ограничен пространством между съемными экранами 4 и не попадает на выходные окна 2, что исключает их запыление.
На фиг. 3 показана завершающая операция изготовления активного элемента лазера, которая выполняется после запайки штенгелей. Бесконтактно, путем внешнего лазерного излучения 14, его фокусировки 15 на опоры крепления экранов 3 через выходные окна 1, опоры разрушаются и экраны 4 удаляются из канала (показано пунктиром).
Технико-экономическим эффектом предложенного технического решения является устранение запыленности выходных окон активного элемента лазера в процессе его термотренировки (обезгаживания), увеличение мощности выходного излучения и сокращение времени термотренировки.
Источники информации
1. Патент США 6175583.
2. Патент SU 942566.
3. Патент РФ 2191452.
4. Патент РФ 2558652.
5. А.Г. Григорьянц, М.А. Казарян, Н.А. Лябин. Лазеры на парах меди: конструкция, характеристики и применение. М. Физматлит 2005 г. 312 с., ISBN 5-9221-0496-9 – прототип.