Газовый лазер (варианты)

Группа полезных моделей относится к области квантовой электроники и может быть использована при изготовлении длинномерных газовых лазеров коаксиального типа.

Единая задача на которую направлена группа полезных моделей состоит в разработке длинномерных лазеров, обеспечивающих получение стабильных параметров излучения.

Единый технический результат при осуществлении группы полезных моделей достигается тем, что в длинномерном разрядном капилляре, в средней его части, при его разрыве или расширении в виде полого шарика, создают аномалию в разряде лазера, что повышает устойчивость разряда к релаксациям и срывам, а это в свою очередь повышает стабильность параметров излучения.

По первому варианту в газовом лазере, содержащем разрядный капилляр 11, закрепленный в оболочке 1 с помощью воронкообразных держателей 12, 17, электроды 8, 9 и жестко соединенные с оболочкой оптические узлы 2, 3, средняя часть разрядного капилляра 11 выполнена в виде полого шарика 16, внутренний диаметр D которого выбран из соотношения:

(d₂-2h)>D3d₁,

где d₁ - внутренний диаметр разрядного капилляра;

d₂ - внутренний диаметр стеклянной оболочки;

h - толщина стенки шарика;

По второму варианту в газовом лазере, разрядный капилляр 11 выполнен из двух равных соосно расположенных частей 18, 19, расстояние между которыми L выбрано из соотношения:

d₂>L3d₁, где d₂<l,

а l - расстояние между двумя держателями 20, 21 герметично соединяющими оболочку 1 в средней ее части с торцевыми краями двух частей 18, 19 разрядного капилляра 11.

Группа полезных моделей относится к области квантовой электроники и может быть использована при изготовлении длинномерных газовых лазеров коаксиального типа.

Известен газовый лазер коаксиального типа, содержащий цилиндрический алюминиевый холодный катод, являющийся частью оболочки. В катоде коаксиально расположен разрядный капилляр, по крайней мере, один конец которого выступает дальше конца катода. С катодом связаны торцевые пластины, предназначенные для крепления разрядного капилляра. Разрядный капилляр имеет отверстие для связи внутреннего объема капилляра с внутренней частью цилиндрического катода. На одном конце разрядного капилляра закреплен цилиндрический анод. Два полупрозрачных зеркала замыкают внутреннюю часть капилляра, образуя оптический резонатор. (См. пат. США 3936767, кл. 331-94,5D, опубл. 03.02.76 г.)

Недостатком данного лазера является то, что известная конструкция применима только для малогабаритных лазеров, что позволяет оставить незакрепленными концы капилляра, входящие во внутренний объем катода. А отверстие разрядного капилляра служит только для связи внутреннего объема капилляра с внутренней частью цилиндрического катода. Кроме того, сложное соединение цилиндрического катода с торцевыми пластинами и торцевых пластин с капилляром, снижает надежность лазера. Жесткое крепление капилляра с торцевыми пластинами, требует тщательного подбора капилляра по внешнему диаметру и высокую точность при изготовлении торцевых пластин, что сложно обеспечить в серийном производстве и увеличивает трудозатраты. А так же, так как, катод является основной частью оболочки, то оболочка лазера находится под потенциалом, что снижает электробезопасность лазера. И кроме того, стоимость материала катода выше стоимости стекла, из которого обычно изготавливается оболочка, что увеличивает цену лазера.

Известен газовый лазер, содержащий разрядный капилляр, средняя часть которого закреплена в оболочке с помощью держателя, электроды и оптические узлы. Держатель капилляра выполнен в виде диафрагмы, изготовленной из гибкого изолирующего материала и содержит внешнюю и внутреннюю стенки, разделенные кольцевым промежутком. Внутренняя стенка охватывает капиллярную трубку, а внешняя стенка прилегает изнутри к стеклянной оболочке лазера. Диафрагма и свободный конец капилляра закреплены в оболочке с помощью пружин. Кроме того, диафрагма разделяет внутренний объем оболочки на анодную и катодную камеры. (См. пат. США 3683300, кл. 331-94,5, опубл. 08.08.72 г.)

Недостатком известного лазера является нестабильность выходных параметров излучения из-за возможности осевого и поперечного перемещения капилляра при воздействии механо-климатических нагрузок, так как диафрагма и пружины выполнены из гибкого материала. Кроме того, для плотного обжима капилляра изолирующей диафрагмой и плотного прижима диафрагмы к внутренней поверхности оболочки (что бы разряд не развивался вне капилляра), необходимо что бы диафрагма кроме свойств гибкости обладала свойством пластичности, что в процессе работы лазера может привести к деформации диафрагмы, разъюстировке лазера и, как следствие, изменению выходных параметров излучения.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленным лазерам в группе полезных моделей является газовый лазер коаксиального типа, содержащий разрядный капилляр, средняя часть которого закреплена в оболочке с помощью воронкообразных держателей, электроды и жестко соединенные с оболочкой оптические узлы. Один из воронкообразных держателей соединен герметично с оболочкой и разрядным капилляром и служит для разделения внутреннего объема лазера на анодную и катодную области. Другие воронкообразные держатели соединены с оболочкой герметично, а с капилляром через металлические пружинящие элементы. В оптических узлах выполнены гофры, в которых закреплены концы капилляра. Для выхода разряда из капилляра к электродам в нем имеются отверстия. (См. пат. РФ 1227076, кл. Н01S 3/03, опубл. 07.09.92 г.) - принято за прототипы.

Недостатком известного лазера является неустойчивое горение разряда в таком длинномерном разрядном капилляре и, как следствие, нестабильность параметров излучения. Для повышения устойчивости разряда необходимо увеличивать внутренний диаметр капилляра, что не всегда согласуется с получением необходимых энергетических и пространственно-временных параметров выходного излучения.

Единая задача на которую направлена группа полезных моделей состоит в разработке длинномерных лазеров, обеспечивающих получение стабильных параметров излучения.

Единый технический результат при осуществлении группы полезных моделей достигается тем, что в длинномерном разрядном капилляре, в средней его части, при его разрыве или расширении в виде полого шарика, создают аномалию в разряде лазера, что повышает устойчивость разряда к релаксациям и срывам.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы полезных моделей по первому варианту достигается тем, что в известном газовом лазере коаксиального типа, содержащем разрядный капилляр, закрепленный в оболочке с помощью воронкообразных держателей, электроды и жестко соединенные с оболочкой оптические узлы, средняя часть разрядного капилляра выполнена в виде полого шарика, внутренний диаметр D которого выбран из соотношения:

(d ₂-2h)>D>3d₁,

где d ₁ - внутренний диаметр разрядного капилляра;

d₂ - внутренний диаметр стеклянной оболочки;

h - толщина стенки шарика;

Указанный единый технический результат при осуществлении группы полезных моделей по второму варианту достигается тем, что в известном газовом лазере коаксиального типа, содержащем разрядный капилляр, закрепленный в оболочке с помощью воронкообразных держателей, электроды и жестко соединенные с оболочкой оптические узлы, разрядный капилляр выполнен из двух равных соосно расположенных частей, расстояние между которыми L выбрано из соотношения:

d₂>L3 d₁, где d₂<l,

a l - расстояние между двумя держателями герметично соединяющими оболочку в средней ее части с торцевыми краями двух частей разрядного капилляра.

Предложенные конструкции позволяют создавать длинномерные лазеры со стабильными параметрами излучения при механо-климатических воздействиях.

Заявленная группа полезных моделей соответствует требованию единства полезных моделей, поскольку группа однообъектных полезных моделей образует единый изобретательский замысел, причем заявка относится к объектам полезных моделей одного вида, одинакового назначения, обеспечивающих получение одного и того же технического результата принципиально одним и тем же путем.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, содержащих сведения об аналогах заявленной группы полезных моделей позволил установить, что заявителем не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной группы полезных моделей, а определение из перечня выявленных аналогов прототипов, как наиболее близких по совокупности признаков аналогов, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле полезных моделей.

Следовательно, каждый из объектов заявленной группы полезных моделей соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

На фиг.1 представлен газовый лазер по первому варианту.

На фиг.2 представлен газовый лазер по второму варианту.

Газовый лазер содержит стеклянную оболочку 1 диаметром d₂. К торцам оболочки 1 методом твердой запайки прикреплены держатели оптики 2, 3, в которых закреплены зеркала 4, 5. К держателям оптики припаяны внешние вывода 6, 7 электродов - анода 8 и катода 9. Холодный катод 9 выполнен из алюминия, расположен внутри стеклянной оболочки 1 и соединен с держателем оптики 3 через никелевую ленту 10. Разрядный капилляр 11 с внутренним диаметром d₁ со стороны анода 8 герметично соединен с оболочкой 1 через воронкообразный держатель 12, а со стороны катода 9 закреплен в держателе оптики 3 с помощью пружины 13. В катодной части разрядного капилляра 11 имеется отверстие 14 для связи внутреннего объема капилляра 11 с внутренней частью катода 9. К держателю оптики 3 в месте ввода капилляра 11 прикреплена стеклянная воронка 15, которая способствует более равномерному распределению разрядной плазмы по внутренней поверхности катода.

По первому варианту газовый лазер отличается тем, что средняя часть разрядного капилляра 11 выполнена в виде полого шарика 16, внутренний диаметр D которого выбран из соотношения: (d₂-2h)>D3d₁,

где d₁ - внутренний диаметр разрядного капилляра;

d₂ - внутренний диаметр стеклянной оболочки;

h - толщина стенки шарика;

На расстоянии от шарика 16 расположен воронкообразный держатель 17, фиксирующий капилляр 11 в оболочке 1.

По второму варианту газовый лазер отличается тем, что разрядный капилляр выполнен из двух равных соосно расположенных частей 18 и 19, расстояние между которыми L выбрано из соотношения:

d₂>L3d₁, где d₂<l,

a l - расстояние между двумя держателями 20 и 21 герметично соединяющими оболочку 1 в средней ее части с торцевыми краями двух частей 18 и 19 разрядного капилляра 11.

Лазер работает следующим образом:

На внешние вывода 6, 7 электродов 8, 9 подается питающее напряжение. В капилляре 11 возникает газовый разряд. Устойчивость разряда к релаксациям и срывам определяется многими факторами, в том числе соотношением диаметра разрядного капилляра 11 d₁, к его длине N, когда при уменьшении диаметра разрядного капилляра d₁ необходимо уменьшать его длину (T.Suzuki, IEEE, v.QE-5,1969). В длинномерных лазерах это условие входит в противоречие с возможностью повышения мощности лазерного излучения путем увеличения длины и уменьшения диаметра разрядного капилляра 11. Одним из способов повышения устойчивости разряда в длинномерном лазере является создание в разрядном капилляре 11 активного элемента области переменного диаметра (с переходом от одного диаметра к другому). Такой областью переменного диаметра может быть переход разряда из среды рабочего капилляра 11 в шарообразное пространство 16 или в область разрыва L рабочего капилляра, что, во-первых, создает плавный переход разряда от одного диаметра к другому, а во-вторых, не вносит в резонатор дифракционных потерь, снижающих мощность излучения. Ввод разряда в катод 9 из капилляра 11 осуществляется через отверстие 14. Стеклянная воронка 15 позволяет равномерно распределить разрядную плазму по всей поверхности катода 9. Воронкообразные держатели 12, 20, 21 препятствуют развитию разряда вне капилляра 11. Полый шарик 16 или разрыв L, образованный между частями капилляра 18 и 19, создают аномалию в разряде капилляра лазера, что повышает устойчивость разряда к релаксациям и срывам, а это в свою очередь обеспечивает получение стабильных параметров излучения.

Выбор соотношений определяется тем, что

- нижняя граница L и D-3d₁ - это минимальное значение диаметра шарика или разрыва, при котором конструктивно может быть обеспечен плавный переход разряда из области одного диаметра в область другого;

- верхняя граница D-(d₂-2h) - максимально возможный диаметр шарика без изменения конструкции оболочки лазера;

- верхняя граница L-d₂ - при L большем d₂ существенно снижается длина разрядного капилляра, что является нецелесообразным;

- соотношение d₂<l объясняется конструкцией лазера, в расстояние l должен уместится разрыв l и концы частей капилляра 18, 19.

Предлагаемые варианты лазеров использованы в He-Ne лазерах типа - ГНИК-3-4, ГНИК-3-4А, ГН-80.

ГНИК-3-4 и ГНИК-3-4А предназначены для использования в газоанализаторах, индикаторах утечки газов, а так же для создания систем сигнализации и волоконно-оптической связи. ГН-80 может быть использован в голографии, медицинской аппаратуре, полиграфии, научных исследованиях.

Приводим данные, подтверждающие промышленную применимость предлагаемых вариантов лазеров.

ГНИК-3-4-длина волны излучения 3,3922 мкм, мощность лазерного излучения 25 мВт, диаметр пучка излучения не более 4,0 мм, длина разрядного капилляра 1044,4 мм, внутренний диаметр капилляра 3,7 мм, внутренний диаметр шарика 12,7 мм, толщина стенки шарика - 3,65 мм, внутренний диаметр стеклянной оболочки 41,6 мм.

ГНИК-3-4А длина волны излучения 3,3912 мкм, мощность лазерного излучения 10 мВт, диаметр пучка излучения не более 4,0 мм, длина разрядного капилляра 1044,4 мм, внутренний диаметр капилляра 3,7 мм, внутренний диаметр шарика 12,7 мм, толщина стенки шарика - 3,65 мм, внутренний диаметр стеклянной оболочки 41,6 мм.

Приведенные примеры показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.

1. Газовый лазер коаксиального типа, содержащий разрядный капилляр, закрепленный в оболочке с помощью воронкообразных держателей, электроды и жестко соединенные с оболочкой оптические узлы, отличающийся тем, что средняя часть разрядного капилляра выполнена в виде полого шарика, внутренний диаметр D которого выбран из соотношения:

(d₂-2h)>D3d₁,

где d₁ - внутренний диаметр разрядного капилляра;

d₂ - внутренний диаметр стеклянной оболочки;

h - толщина стенки шарика;

2. Газовый лазер коаксиального типа, содержащий разрядный капилляр, закрепленный в оболочке с помощью воронкообразных держателей, электроды и жестко соединенные с оболочкой оптические узлы, отличающийся тем, что разрядный капилляр выполнен из двух равных соосно расположенных частей, расстояние между которыми L выбрано из соотношения:

d₂>L3d₁, где d₂<l,

l - расстояние между двумя держателями, герметично соединяющими оболочку в средней ее части с торцевыми краями двух частей разрядного капилляра.