Газовый лазер

Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована при создании частотно-стабилизированных лазеров для научных исследований, оптической промышленности, машиностроения. Задача - создание газового гелий - неонового лазера с низким уровнем плазменных шумов (страт) и повышенной мощностью излучения. Технический результат может быть получен за счет использования в известном лазере оптимального значения соотношения газовой смеси и диаметра разрядного промежутка. Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном газовом лазере, содержащем активный элемент 1 наполненный смесью газов гелия, неона и кислорода с глухим 2 и полупрозрачным выходным 3 с пропусканием от 1% до 3,5% зеркалами, выполненными с напылением из отличных друг от друга парамагнитных материалов, доля гелия в смеси газов превышает долю неона в соответствии с соотношением: _He для d<1; ; где _He для d1; ; - постоянная газового разряда _He - доля Не в смеси газов d - диаметр разрядного промежутка (мм); L - длина разрядного промежутка (мм) U_гор . - напряжение горения разряда (В) P - давление смеси (тор)

Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована при создании частотно-стабилизированных лазеров для научных исследований, оптической промышленности, машиностроения.

Известен газовый лазер, содержащий активный элемент и рабочую среду со смесью газов гелия, неона и кислорода. Кислород в небольших количествах остается в трубке после ее обработки. (См. СССР авт. свид. 416797, кл. Н01S 3/22, опубл. 25.07.76 г.)

Ненормируемое количество кислорода приводит к тому, что может снижаться мощность лазерного излучения, поскольку мощность в зависимости от примеси кислорода в рабочей среде имеет оптимум и при избытке кислорода снижается.

Известен газовый лазер, в котором для устранения плазменных шумов (страт) создана рабочая смесь газов, обеспечивающая стабильность мощности, а пороговый ток появления стратовых колебаний выше рабочего тока активного элемента. Рабочая среда такого лазера содержит смесь газов - гелия, неона и кислорода, причем концентрация кислорода (парциальное давление) в пределах 1·10^-4÷1·10 ^-3 мм рт.ст. (См. РФ пат. 2194346 кл. H01S 3/22, опубл. 10.12.2002 г.)

Недостатком данного газового лазера является то, что с изменением пропускания выходного зеркала (увеличением пропускания) для подавления стратовых колебаний необходимо увеличивать парциальное давление кислорода. Так как пропускание зеркала возрастает (при возрастающем качестве зеркала - уменьшении его рассеяния) возрастает мощность лазерного излучения, а также вероятность появления в выходном сигнале паразитных шумов. Эти шумы были бы незаметны при меньшем пропускании выходного зеркала.

Наиболее близким по технической сущности является газовый двухчастотный стабилизированный лазер, содержащий активный элемент в виде коаксиальной газоразрядной трубки с внутренними глухим и полупрозрачным выходным зеркалами, наполненный смесью газов гелия, неона и кислорода. Зеркала имеют напыление из отличных друг от друга парамагнитных материалов. Глухое зеркало имеет напыление из 30 чередующихся слоев пяти окиси тантала (Ta₂O₅) и двуокиси кремния (SiO₂). Покрытие полупрозрачного выходного зеркала выполнено из 15÷17 чередующихся слоев двуокиси гафния (HfO ₂) и двуокиси кремния (SiO₂), при этом выходное полупрозрачное зеркало дополнительно имеет антиотражающее покрытие для длины волны =3,39 мкм и пропускание 1%÷3,5% для длины волны =0,63 мкм. Наличие отличных друг от друга парамагнетических материалов в покрытии зеркал позволяют получить особые поляризационные свойства лазерного излучения, позволяющие повысить разностную частоту и мощность излучения на выходе лазера. (См. РФ з-ка 2009133515/28(047139) приоритет 07.09.09 г., решение о выдаче патента от 07.09.2010 г. - прототип.)

Недостатком этого лазера является наличие стратовых колебаний в излучении лазера.

Задача, на решение которой направлена данная полезная модель - создание газового гелий - неонового лазера с низким уровнем плазменных шумов (страт) и повышенной мощностью излучения.

Технический результат может быть получен за счет использования в известном лазере оптимального значения соотношения газовой смеси и диаметра разрядного промежутка.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном газовом лазере, содержащем активный элемент наполненный смесью газов гелия, неона и кислорода с глухим и полупрозрачным выходным с пропусканием от 1% до 3,5% зеркалами, выполненными с напылением из отличных друг от друга парамагнитных материалов, доля гелия в смеси газов превышает долю неона в соответствии с соотношением:

_He для d<1; ; где

_He для d1; ;

- постоянная газового разряда

_He - доля Не в смеси газов

d - диаметр разрядного промежутка (мм);

L - длина разрядного промежутка (мм)

U_гор. - напряжение горения разряда (В)

P - давление смеси (тор)

Наличие стратовых колебаний и их частота прямо пропорциональны скорости распада верхнего метастабильного уровня 2'S₀. C ростом давления гелия в рабочей смеси скорость распада верхнего метастабильного уровня гелия 2'S₀ повышается, поскольку увеличивается число столкновений с другими частицами газовой смеси. Это приводит к повышению частоты страт и они уходят из области рабочих токов в область более высоких токов, тем самым снижая уровень плазменных шумов и повышая мощность излучения лазера.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле полезной модели.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

На фиг.1 показана конструкция заявляемого газового лазера.

На фиг.2а показано выходное полупрозрачное зеркало.

На фиг.2б показано глухое зеркало.

На фиг.3 показана зависимость тока появления страт и мощности от соотношения в рабочей смеси лазера гелия и неона.

На фиг.4 показана зависимость соотношения в рабочей смеси гелия и неона от диаметра разрядного промежутка.

Предлагаемый газовый (гелий - неоновый) лазер содержит активный элемент 1 в виде коаксиальной газоразрядной трубки с внутренними глухим 2 и полупрозрачным выходным 3 зеркалами. Зеркала 2, 3 размещены в юстировочных узлах 4, выполненных из магнитного материала намагниченного полем величиной 1Н50 мТ.. Выходное зеркало 3, выполнено полупрозрачным из 15÷17 чередующихся слоев двуокиси гафния (HfO₂ ) толщиной /4 и слоев двуокиси кремния (SiO₂) толщиной /4. Дополнительно выходное зеркало 3 имеет антиотражающее покрытие в виде 6 слоев напыления SiO₂ толщиной /4 на длину волны =3,39 мкм и пропускание 1%-3,5% для длины волны =0,63 мкм. Глухое зеркало 2 выполнено из 30 чередующихся слоев пяти окиси тантала (Та₂O₅) толщиной /4 и двуокиси кремния (SiO₂) толщиной /4, последний слой напыления SiO₂ толщиной /2. Активный элемент 1 с внутренними парамагнитными зеркалами 2, 3 помещается в аксиальное магнитное поле, формируемое магнитной системой 5.

Гелий - неоновый лазер работает следующим образом:

При включении тока разряда в активном элементе 1 с парамагнитными зеркалами 2, 3 возникает генерация. В газовом разряде в смеси происходит одновременно перекачка газов от катода к аноду и их разделение. Неон устремляется к катоду (положительные ионы), а нейтральные атомы гелия устремляются к аноду, создавая возле него избыток давления, при этом в рабочем промежутке разрядного капилляра создается недостаток газа (рабочей смеси). (См. Привалов В.Е., Чуляева Е.Г «Оптика и спектроскопия» 1984 г., т.76, вып.6, с.1056-1057). Если катодный объем велик, то давление возле катода меняется мало, т.е. неон остается в разряде, а гелий вытесняется из-за перекачки газа. Эффект разделения газов усиливается с уменьшением диаметра разрядного промежутка. Все это приводит к тому, что для подавления страт надо повысить долю гелия в рабочей смеси гелия, неона, кислорода. Задание точного значения доли гелия позволит погасить возникающие страты, не снижая при этом мощность излучения. Если количество гелия в рабочей смеси недостаточно, то в спектре лазерного излучения возникают стратовые колебания, причем частота этих колебаний может совпадать с областью рабочих токов. Как показано на фиг.3 область появления страт при соотношении гелия к неону 7:1 в рабочей смеси соответствует рабочему току (3-4 мА). С ростом доли гелия в рабочей смеси (гелий, неон, кислород), область тока появления страт повышается и при соотношении 15:1 стабилизируется, подчиняясь соотношению (1). Если соотношение больше чем 15:1, то мощность лазерного излучения начинает медленно снижаться. Мощность и соотношение гелия в смеси оптимально с точки зрения появления шумов и зависят от диаметра разрядного промежутка. При диаметре разрядного промежутка значительно больше 1 доля гелия уменьшается, т.к. процессы вытеснения и разделения газов ослабляются подчиняясь условию _He для d1; ;

С уменьшением диаметра разрядного промежутка, например, при диаметре меньше 1, процессы вытеснения газа играют заметную роль. Если велик катодный объем, то возле катода давление изменится незначительно, т.е. давление изменится мало. Гелий устремится к аноду, создавая избыточное давление возле анода. В разрядном промежутке количество газа снизится, что заметно по напряжению горения. Известно, что при d<1 напряжение горения возрастает, что свидетельствует о низком давлении в разрядном промежутке. Таким образом ток появления страт в активном элементе с парамагнитными зеркалами определяется диаметром разрядного промежутка, наряду с наполнением, где необходимо регулировать парциальное давление гелия.

Приводим пример конкретного выполнения:

Активный элемент для лазера ЛГН-212-1 наполнен рабочей смесью гелий, неон, кислород. В смеси соотношение He/Ne 15:1, парциальное давление O₂ составляет 10 ^-4 тор, общее давление смеси - 4 тора, выходная мощность лазерного излучения P0,7 мВт. Лазер излучает на длине волны =0,63 мкм. Диаметр разрядного промежутка d=0,8^±0,05 мм.

Ток появления страт 7 мА, рабочий ток 3,5 мА.

Габариты лазера составляют 369×132×128 мм.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет устранить страты, без снижения выходной мощности излучения.

Выше приведенные сведения показывают, что заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Газовый лазер, содержащий активный элемент, наполненный смесью газов гелия, неона и кислорода с глухим и полупрозрачным выходным с пропусканием от 1% до 3,5% зеркалами, выполненными с напылением из отличных друг от друга парамагнитных материалов, отличающийся тем, что доля гелия в смеси газов превышает долю неона в соответствии с соотношением:

_He для d<1; ; где

_He для d1; ;

- постоянная газового разряда;

_He - доля Не в смеси газов;

d - диаметр разрядного промежутка, мм;

L - длина разрядного промежутка, мм;

U_гор - напряжение горения разряда, В;

P - давление смеси, тор.