Газовый лазер
Полезная модель относится к области квантовой электроники и может быть использована при создании отпаянных газовых лазеров, конструкция которых содержит специальный кран с возможностью неоднократной, при необходимости, откачки и наполнения лазерной трубки свежей рабочей смесью и восстановления тем самым работоспособности лазера в целом. Задачей предлагаемой полезной модели является создание газового лазера с, высокой надежностью герметизации крана перенаполнения рабочей среды, упрощение и снижение трудоемкости процедуры перенаполнения. Технический результат достигается за счет исключения взаимного перемещения контактирующих поверхностей в зоне герметизации, обеспечения гарантированной площади зоны прохода газа, повышения надежности герметизации при контролируемом усилии и увеличении площади прижима, введения дополнительных уплотнительных колец, исключающих попадание атмосферы внутрь лазерной трубки в процессе ее перенаполнения и исключения необходимости использования дополнительных сменных вакуумных колпачков. Газовый лазер содержит глухое и выходное зеркала 1, расположенные напротив разрядных каналов 2, поворотные зеркала 3, кран замены газовой среды 4, расположенный на корпусе 5 лазера. Кран 4 выполнен в виде цилиндрического стакана 6 с внешней отбортовкой 7, на которой резьбовым соединением закреплена накидная гайка 8, в дне цилиндрического стакана 6 имеется сквозное отверстие 9 соединяющее кран 4 с лазерным рабочим объемом 10, внутри цилиндрического стакана 6 расположен полый плунжер 11, переходящий в верхней части в штуцер 12 для подключения к системе 13 откачки и наполнения газовой средой, в нижней части с внешней стороны стенка плунжера 11 имеет проточку 14 и сквозное отверстие 15, соединяющее полость 16 плунжера 11 с полостью зазора 17, образованного проточкой 14 и стенкой цилиндрического стакана 6, при этом на дне плунжера 11 с внешней стороны выполнен осевой выступ 18. с размещенным на нем эластичным уплотнителем 19, в средней части плунжера 11 в стенке с внешней стороны имеется кольцевая выемка 20, в которой расположены один и более эластичных уплотнителей 21, а в верхней части плунжера 11 с внешней стороны, перед штуцером 12 выполнен стопорный буртик 22 и закреплено стопорное кольцо 23.
Полезная модель относится к области квантовой электроники и может быть использована при создании отпаянных газовых лазеров, конструкция которых содержит специальный кран с возможностью неоднократной, при необходимости, откачки и наполнения лазерной трубки свежей рабочей смесью и восстановления тем самым работоспособности лазера в целом.
Одна из основных проблем долговечности отпаянных газовых лазеров состоит в том, что в процессе их длительной работы происходит деградация рабочей смеси, приводящая лазер к выходу из строя. Традиционная процедура восстановления работоспособности такой лазерной трубки предусматривает ее вскрытие, последующую откачку, повторную длительную термовакуумную обработку, заключительное заполнение свежей рабочей смесью и герметизацию.
Известен лазер, заключительным этапом изготовления активного элемента (лазерная трубка) которого является, «как правило», термовакуумная обработка: включающая откачку при повышенной температуре и последующую многочасовую тренировку в разряде. Для этого обрабатываемая лазерная трубка с помощью штенгеля (стеклянного или металлического) соединяется со специализированным вакуумным оборудованием (постом). После окончательного заполнения лазерной трубки рабочей смесью производится либо отлай стеклянного штенгеля, либо «холодный скус» металлической трубки, (см. пат. США 
5867517, кл. 372/58, опубл. 1999 г. - фиг.1, 2.)
Недостаток известного лазера состоит в том, что при вскрытии лазерной трубки внутрь попадает окружающая атмосфера (воздух), с большим содержанием нежелательных примесей (в первую очередь паров воды). Вскрытие лазерной трубки в специальных боксах с контролируемым составом среды является также сложным, трудоемким процессом, который может быть реализован только в условиях изготовителя, что сводит на нет оперативность и доступность процедуры перенаполнения, т.е. восстановления работоспособности лазера.
Известен лазер, в котором для откачки и наполнения используется специальный кран перенаполнения, совмещающий дополнительные функции, например, обеспечивает подачу ВЧ энергии. В таком лазере трубка герметизируется через уплотняющие кольца. Для подсоединения к откачному посту используется специальный сменный вакуумный
колпачок, который обеспечивает герметичность крана-ВЧ ввода в процессе его вращения при открывании и закрывании лазерной трубки. При этом, внутри колпачка воздух предварительно откачан и обеспечивается дальнейшая непрерывная откачка. Тем самым исключается загрязнение лазерной трубки вредными примесями. После перенаполнения рабочей смесью лазерная трубка герметизируется за счет уплотнения кольца при вворачивании крана-ВЧ ввода, а сменный колпачок удаляется. (см. пат. США 5867517, кл. 372/58, опубл. 1999 г. - фиг.3, 4.)
Недостатком этого лазера является небольшая величина зазора между внутренней поверхностью кольца и краном-ВЧ вводом, которые должны быть жестко центрированными. Кроме того, при вращении крана -ВЧ ввода в контакте с кольцом возникают касательные силы приводящие к повышенному и неравномерному износу поверхностей сопряжения (прежде всего кольца) и нарушению герметичности в зоне уплотнения. Непосредственная замена кольца на новое приводит к разгерметизации внутреннего объема лазерной трубки, с нежелательными последствиями.
Наиболее близким к предлагаемому является лазер с совмещенным краном (откачки-наполнения) - ВЧ вводом. Лазер содержит корпус с отверстием для закрепления крана замены газовой среды, электроды, зеркала, формирующие лазерный резонатор, кран с полым плунжером и эластичным уплотнителем в виде кольца. Кроме того, имеется упорная шайба и полая кольцевая втулка с отверстиями в боковых стенках. В предлагаемой конструкции значительно увеличено сечение отверстия откачки-наполнения между внутренней поверхностью кольца-уплотнителя и краном-ВЧ вводом.. (см. пат. США 5867517, кл. 372/58, опубл. 1999 г. - фиг.7, 8 - принят за прототип)
Устройству-прототипу присущ ряд недостатков аналога, а именно, при вращении крана-ВЧ ввода в процессе открытия-закрытия в зоне контакта эластичного кольца с полой кольцевой втулкой и упорной шайбой возникают касательные силы, приводящие к повышенному и неравномерному износу поверхностей сопряжения (прежде всего кольца) и нарушению герметичности в зоне уплотнения. Кроме того, основная зона герметизации обеспечивается прижимом внутренней поверхности уплотнительного кольца к боковой поверхности плунжера, которая при открытии-закрытии постоянно перемещается и вызывает дополнительный износ поверхности. Прижим является косвенным и возникает при сжатии эластичного кольца между полой кольцевой втулкой, боковой поверхностью плунжера и упорной шайбой. Неравномерность прижима в зоне герметизации ухудшает надежность уплотнения и приводит к дополнительному износу кольца. Площадь участка герметизации при увеличении сжатия уменьшается, что так же снижает степень герметичности.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание газового лазера, конструкция которого содержит специальный кран с возможностью неоднократной, при необходимости, откачки и наполнения лазерной трубки свежей рабочей смесью и восстановления тем самым работоспособности лазера в целом, повышение надежности герметизации крана, упрощение и снижение трудоемкости процедуры перенаполнения.
Технический результат достигается за счет:
- исключения взаимного перемещения контактирующих поверхностей в зоне герметизации;
- обеспечения гарантированной площади зоны прохода газа;
- повышения надежности герметизации при контролируемом усилии и увеличении площади прижима;
- введения дополнительных уплотнительных колец, исключающих попадание атмосферы внутрь лазерной трубки в процессе ее перенаполнения;
- исключения необходимости использования дополнительных сменных вакуумных колпачков.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в газовом лазере, содержащем корпус с отверстием для закрепления крана замены газовой среды, электроды, зеркала, кран с полым плунжером и эластичным уплотнителем, кран выполнен в виде цилиндрического стакана с внешней отбортовкой, на которой резьбовым соединением закреплена накидная гайка, в дне цилиндрического стакана имеется сквозное отверстие соединяющее кран с лазерным рабочим объемом, внутри цилиндрического стакана расположен полый плунжер, переходящий в верхней части в штуцер для подключения к системе откачки и наполнения газовой средой, в нижней части с внешней стороны стенка плунжера имеет проточку и сквозное отверстие, соединяющее полость плунжера с полостью зазора, образованного проточкой и стенкой цилиндрического стакана, при этом на дне плунжера с внешней стороны выполнен осевой выступ, с размещенным на нем эластичным уплотнителем, в средней части плунжера в стенке с внешней стороны имеется кольцевая выемка, в которой расположены один и более эластичных уплотнителей, а в верхней части плунжера с внешней стороны, перед штуцером, выполнен стопорный буртик и закреплено стопорное кольцо.
Предлагаемое конструктивное выполнение газового лазера с отдельным краном перенаполнения рабочей средой, позволило осуществлять процесс откачки и наполнения новой рабочей смесью проще, быстрее и надежнее.
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, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
На фиг.1 (а, б, в) показаны варианты расположения крана для перенаполнения рабочей смесью на корпусе газового лазера.
На фиг.2 представлен вид крана для перенаполнения рабочей смесью в закрытом положении.
На фиг.3 представлен вид крана для перенаполнения рабочей смесью в открытом положении.
Приводим сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели. Газовый лазер содержит глухое и выходное зеркала 1, расположенные напротив разрядных каналов 2, сформированных электродами, поворотные зеркала 3, кран замены газовой среды 4, расположенный на корпусе 5 лазера. Кран 4 выполнен в виде цилиндрического стакана 6
с внешней отбортовкой 7, на которой резьбовым соединением закреплена накидная гайка 8, в дне цилиндрического стакана 6 имеется сквозное отверстие 9 соединяющее кран 4 с лазерным рабочим объемом 10, внутри цилиндрического стакана 6 расположен полый плунжер 11, переходящий в верхней части в штуцер 12 для подключения к системе 13 откачки и наполнения газовой средой, в нижней части с внешней стороны стенка плунжера 11 имеет проточку 14 и сквозное отверстие 15, соединяющее полость 16 плунжера 11 с полостью зазора 17, образованного проточкой 14 и стенкой цилиндрического стакана 6, при этом на дне плунжера 11 с внешней стороны выполнен осевой выступ 18, с размещенным на нем эластичным уплотнителем 19, в средней части плунжера 11 в стенке с внешней стороны имеется кольцевая выемка 20, в которой расположены один и более эластичных уплотнителей 21, а в верхней части плунжера 11 с внешней стороны, перед штуцером 12 выполнен стопорный буртик 22 и закреплено стопорное кольцо 23.
Газовый лазер работает следующим образом: при подаче ВЧ напряжения на электроды в разрядных каналах 2 возбуждается поперечный газовый разряд и возникает лазерная
генерация. При длительной работе лазера в отпаянном режиме происходит деградация газовой смеси, приводящая в конечном итоге к необратимому снижению мощности лазерного излучения, ниже допустимого уровня. Для запуска процедуры перенаполнения лазера новой рабочей смесью производится вакуумное подсоединение штуцера 12 полого плунжера 11 к откачному оборудованию 13, при этом кран находится по прежнему в исходном закрытом положении фиг.2 (эластичный уплотнитель 19 прижат между дном плунжера 11 и дном цилиндрического стакана 6 с помощью накидной гайки 8). После откачки соединительного тракта (полости 16 плунжера 11 и зазора 17) до приемлемого вакуума (1·10-3÷1·10 -5 мм рт.ст.) кран переводится постепенно в открытое положение, при этом плавно отворачивается накидная гайка 8 до упора в стопорное кольцо 23 и полый плунжер перемещается в осевом направлении вверх. В результате этого между дном плунжера 11, дном цилиндрического стакана 6 и эластичным уплотнителем (кольцом) 19 появляется свободная зона для прохода газа, через которую, вследствие непрерывной откачки, удаляется отработанная газовая смесь (кран открыт фиг.3). После достижения в этом открытом положении крана 4 приемлемого вакуума, откачка прекращается и производится наполнение лазера новой рабочей смесью. После перенаполнения лазера, кран переводится в закрытое положение фиг.2. постепенным заворачиванием накидной гайки 8, что приводит к осевому перемещению полого плунжера 11 вниз и сжиманию эластичного уплотнителя 19. Усилие прижима контролируется динамическим ключом. Кроме того, в конструкции крана заложен гарантированный минимальный зазор, препятствующий повреждению уплотнителя 19 и обеспечивающий его работу в зоне упругих деформаций. Затем лазер отсоединяется от откачного оборудования.
Предлагаемая полезная модель повышает надежность герметизации лазера за счет использования дополнительных уплотнительных колец, исключающих попадание атмосферы внутрь откачиваемого объема, уменьшает трудоемкость процесса перенаполнения лазера за счет использования гарантированной площади зоны прохода рабочей среды, а использование осевого перемещения полого плунжера исключает неравномерность износа уплотняющих колец и разгерметизацию внутреннего объема лазера.
Предлагаемая полезная модель использована в СО2 лазерах с ВЧ возбуждением типа LCD-10WG, LCD-10AG с мощностью излучения 10-14 Вт.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Газовый лазер, содержащий корпус с отверстием для закрепления крана замены газовой среды, электроды, зеркала и кран с полым плунжером и эластичным уплотнителем, отличающийся тем, что кран выполнен в виде цилиндрического стакана с внешней отбортовкой, на которой резьбовым соединением закреплена накидная гайка, в дне цилиндрического стакана имеется сквозное отверстие, соединяющее кран с лазерным рабочим объемом, внутри цилиндрического стакана расположен полый плунжер, переходящий в верхней части в штуцер для подключения к системе откачки и наполнения газовой рабочей смесью, в нижней части с внешней стороны стенка плунжера имеет проточку и сквозное отверстие, соединяющее полость плунжера с полостью зазора, образованного проточкой и стенкой цилиндрического стакана, при этом на дне плунжера с внешней стороны выполнен осевой выступ, с размещенным на нем эластичным уплотнителем, в средней части плунжера в стенке с внешней стороны имеется кольцевая выемка, в которой расположены один и более эластичных уплотнителей, а в верхней части плунжера с внешней стороны, перед штуцером выполнен стопорный буртик и закреплено стопорное кольцо.
