RU2141709C1 - Gas laser - Google Patents
Gas laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2141709C1 RU2141709C1 RU97114029A RU97114029A RU2141709C1 RU 2141709 C1 RU2141709 C1 RU 2141709C1 RU 97114029 A RU97114029 A RU 97114029A RU 97114029 A RU97114029 A RU 97114029A RU 2141709 C1 RU2141709 C1 RU 2141709C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- gas
- electrode
- stabilizer
- gas composition
- Prior art date
Links
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике и может использоваться при производстве молекулярных газовых лазеров с высокочастотным возбуждением для систем лазерной локации и связи, а также при создании лазерных технологических установок для высокоточной обработки материалов и медицинской техники. The invention relates to laser technology and can be used in the production of molecular gas lasers with high-frequency excitation for laser location and communication systems, as well as in the creation of laser processing systems for high-precision processing of materials and medical equipment.
Одним из эффективных способов увеличения срока службы отпаянных молекулярных газовых лазеров является использование стабилизаторов газового состава (катализаторов, регенераторов). В известном устройстве (см. заявку Франции N 2575869, кл. H 01 S 3/095, опубл. 11.07.86 г.) катализатор с зернами цеолитовой подложки размещается в патроне, установленном между газоразрядной трубкой лазера и дополнительным резервуаром с рабочей газовой смесью. Патрон с цеолитовыми зернами, пропитанными катализатором, служит механическим фильтром для активной газовой среды, а также окислителем и катализатором продуктов ее распада. Известно, что регенерационная способность катализатора повышается с его нагревом, однако в данной конструкции из-за удаленности от зоны разряда, где наиболее высокая температура активной газовой среды и наиболее активны плазмо-химические реакции разложения молекул CO2, эффективность работы катализатора низка и для ее повышения даже требуется дополнительный нагрев катализатора от внешнего источника.One of the effective ways to increase the service life of sealed molecular gas lasers is to use gas stabilizers (catalysts, regenerators). In a known device (see French application N 2575869, class H 01 S 3/095, published July 11, 86), a catalyst with zeolite support grains is placed in a cartridge mounted between a laser discharge tube and an additional reservoir with a working gas mixture. The cartridge with zeolite grains impregnated with a catalyst serves as a mechanical filter for an active gas medium, as well as an oxidizing agent and a catalyst for its decay products. It is known that the regenerative ability of the catalyst increases with its heating, however, in this design, because of the remoteness from the discharge zone, where the highest temperature of the active gas medium and the most active plasma-chemical reactions of decomposition of CO 2 molecules, the catalyst's efficiency is low and to increase it additional heating of the catalyst from an external source is even required.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является газовый лазер (см. авт. свид. СССР N 1634088, кл. H 01 S 3/03, приоритет от 08.09.89 г. ), включающий источник накачки, заполненный рабочей смесью корпус, размещенный в нем волноводный разрядный канал, образованный электродами, оптический резонатор и стабилизатор газового состава, расположенный в непосредственном контакте с фланцем, на внутренней стороне которого установлены поворотные зеркала резонатора. В этом устройстве нагрев катализатора происходит за счет тепла, выделяемого на поворотных зеркалах в результате поглощения части световой энергии, что обеспечивает определенную стабильность уровня мощности излучения. При деградации отражающей поверхности поворотных зеркал происходит снижение мощности лазера и одновременно повышается температура зеркал, что проводит к повышению регенерационной способности катализатора, а значит к уменьшению степени диссоциации молекул CO2 и, как следствие, к увеличению мощности излучения. Однако и эта конструкция не обеспечивает длительную работу лазера в заданном номинальном диапазоне мощностей. В этой конструкции затруднен активный газообмен между катализатором и зоной, где непосредственно происходит диссоциация молекул CO2 - областью накачки. Кроме того, при использовании качественной резонаторной оптики с коэффициентом отражения более 99% достаточно проблематично обеспечить требуемый нагрев катализатора.The closest in technical essence to the proposed one is a gas laser (see ed. Certificate of the USSR N 1634088, class H 01 S 3/03, priority dated 08.09.89), including a pump source, a housing filled with a working mixture, located in a waveguide discharge channel formed by electrodes, an optical resonator and a stabilizer of gas composition, located in direct contact with the flange, on the inside of which rotary mirrors of the resonator are installed. In this device, the heating of the catalyst occurs due to the heat generated on the rotary mirrors as a result of the absorption of part of the light energy, which provides a certain stability of the radiation power level. When the reflective surface of the rotary mirrors is degraded, the laser power decreases and the temperature of the mirrors increases at the same time, which leads to an increase in the regenerative ability of the catalyst and, therefore, to a decrease in the degree of dissociation of CO 2 molecules and, as a result, to an increase in the radiation power. However, this design does not provide long-term laser operation in a given nominal power range. In this design, active gas exchange is difficult between the catalyst and the zone where the dissociation of CO 2 molecules — the pumping region — takes place directly. In addition, when using high-quality resonant optics with a reflection coefficient of more than 99%, it is quite problematic to provide the required heating of the catalyst.
Технический эффект предложенного газового лазера заключается в повышении долговечности. The technical effect of the proposed gas laser is to increase durability.
Для достижения указанного эффекта создан газовый лазер, включающий источник накачки, заполненный рабочей смесью корпус, размещенный в нем волноводный разрядный канал, образованный электродами, зеркала оптического резонатора и стабилизатор газового состава. Новым в устройстве является то, что стабилизатор газового состава размещен под рабочей поверхностью по меньшей мере одного из электродов, при этом рабочая поверхность электрода, под которой размещен стабилизатор газового состава, выполнена газопроницаемой. To achieve this effect, a gas laser was created, including a pump source, a housing filled with a working mixture, a waveguide discharge channel formed by electrodes, mirrors of an optical resonator and a stabilizer of gas composition. New in the device is that the stabilizer of the gas composition is placed under the working surface of at least one of the electrodes, while the working surface of the electrode, under which the stabilizer of the gas composition is placed, is made gas permeable.
При выполнении разрядного канала волноводным возможны два вида устройств:
- разрядный канал, выполненный в виде капилляра с типичным поперечным сечением 3 • 3 мм2 и образующий волноводный резонатор света;
- разрядный канал, выполненный в виде щели с типичным поперечным размером 3 • 40 мм2, в котором формирование излучения по одной координате происходит посредством распространения волноводных мод, а по другой - мод свободного пространства.When performing a discharge channel waveguide, two types of devices are possible:
- a discharge channel made in the form of a capillary with a typical cross section of 3 • 3 mm 2 and forming a waveguide light resonator;
- a discharge channel made in the form of a gap with a typical transverse size of 3 • 40 mm 2 , in which radiation is formed along one coordinate by means of waveguide modes and free space modes along the other.
Если в предложенной конструкции источники накачки выполнить высокочастотным (см. п.2 формулы), то обеспечивается большая долговечность лазера. If, in the proposed design, the pump sources are made high-frequency (see clause 2 of the formula), then the laser will have a long life.
Выполнение рабочей поверхности электрода, под которой размещен стабилизатор газового состава, сетчатой (см. п.3 формулы) обеспечивает при повышенном удельном энергосъеме большую долговечность лазера. The implementation of the working surface of the electrode, under which the stabilizer of the gas composition is placed, mesh (see p. 3 of the formula) provides with an increased specific energy output a greater laser durability.
Если выполнить рабочую поверхность электрода, под которой размещен стабилизатор газового состава перфорированной по краям вдоль электрода (см. п. 4 формулы), то при повышении удельного энергосъема и долговечности дополнительно обеспечивается стабилизация модового состава излучения лазера. If you make the working surface of the electrode, under which a stabilizer of the gas composition is placed perforated along the edges along the electrode (see paragraph 4 of the formula), then with an increase in the specific energy removal and durability, the mode composition of the laser radiation is additionally stabilized.
На чертеже показан общий вид газового лазера в разрезе (пример конкретного исполнения по пп.1, 2). The drawing shows a General view of a gas laser in section (an example of a specific embodiment according to claims 1, 2).
Устройство содержит корпус 1 с фланцами 2, разрядный канал 3, образованный электродами 4, 5, зеркала оптического резонатора 6, 7 и размещенный за электродом 5 стабилизатор газового состава 8. Потенциальный электрод 4 соединен с ВЧ-генератором 9 через изолированный от оболочки лазера 1 вакуумно-плотный ввод 10. Охлаждение лазерного излучателя осуществляют путем прокачки хладогента через каналы в корпусе 1 (не показаны). The device comprises a housing 1 with flanges 2, a discharge channel 3 formed by electrodes 4, 5, mirrors of the optical resonator 6, 7 and a gas stabilizer 8 located behind the electrode 5. The potential electrode 4 is connected to the RF generator 9 through a vacuum isolated from the laser sheath 1 -tight entry 10. Cooling of the laser emitter is carried out by pumping refrigerant through the channels in the housing 1 (not shown).
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
При подаче напряжения от генератора 9 на электроды 4 и 5 в разрядном канале 3 между электродами 4 и 5 зажигается разряд и в резонаторе, образованном зеркалами 6 и 7, возникает генерация. Процесс вклада энергии в активную среду лазера сопровождается существенными изменениями ее первоначального химического состава. В результате плазмохимических реакций в разряде, активизирующихся при нагреве активной среды, происходит уменьшение молекул CO2 до значения, соответствующего определенному динамическому равновесию между процессами диссоциации (CO2 ---> CO + 0,5O2) и восстановления молекул CO2 в газе (2CO + O2 ---> 2CO2), что приводит к снижению инверсии среды и мощности генерации. Снижение концентрации молекул CO2 может достигать 50% и более. В результате газообмена с буферным объемом концентрация молекул CO2 несколько повышается в зависимости от эффективности процесса газообмена.When voltage is supplied from the generator 9 to the electrodes 4 and 5 in the discharge channel 3 between the electrodes 4 and 5, a discharge is ignited and generation occurs in the resonator formed by the mirrors 6 and 7. The process of energy contribution to the active medium of a laser is accompanied by significant changes in its initial chemical composition. As a result of plasma-chemical reactions in the discharge, which are activated by heating the active medium, the CO 2 molecules decrease to a value corresponding to a certain dynamic equilibrium between the processes of dissociation (CO 2 ---> CO + 0,5O 2 ) and reduction of CO 2 molecules in the gas ( 2CO + O 2 ---> 2CO 2 ), which leads to a decrease in medium inversion and lasing power. A decrease in the concentration of CO 2 molecules can reach 50% or more. As a result of gas exchange with a buffer volume, the concentration of CO 2 molecules increases slightly depending on the efficiency of the gas exchange process.
При наличии в разрядном канале каталитического стабилизатора газового состава, на поверхности которого эффективность регенерации молекул CO2 значительно выше эффективности процесса восстановления в объеме газа, уровень концентрации CO2 непосредственно в активной среде существенно повышается. Эффективность стабилизатора газового состава определяется его каталитической активностью, зависящей от температуры (с повышением температуры эффективность резко возрастает). Поэтому нагрев стабилизатора газового состава 8 за счет тепла, выделяемого в разрядном канале, приводит к восстановлению значительной части прореагировавших молекул CO2.If there is a catalytic stabilizer of gas composition in the discharge channel, on the surface of which the efficiency of regeneration of CO 2 molecules is much higher than the efficiency of the recovery process in the gas volume, the level of CO 2 concentration directly in the active medium increases significantly. The effectiveness of the stabilizer of the gas composition is determined by its catalytic activity, depending on the temperature (with increasing temperature, the efficiency increases sharply). Therefore, the heating of the stabilizer of gas composition 8 due to the heat released in the discharge channel, leads to the restoration of a significant part of the reacted CO 2 molecules.
Эти процессы ведут к повышению мощности излучения и, соответственно, к повышению удельного энергосъема. Через некоторое время после включения лазера наступает тепловое равновесие между процессами нагрева стабилизатора и рассеяния тепла в окружающую среду и достаточно быстро устанавливается квазистационарный химический баланс, что и обеспечивает длительную стабильную работу лазера. These processes lead to an increase in radiation power and, consequently, to an increase in specific energy removal. Some time after the laser is turned on, thermal equilibrium occurs between the processes of stabilizer heating and heat dissipation into the environment and a quasistationary chemical balance is quickly established, which ensures long-term stable operation of the laser.
Применительно к волноводным лазерам реализация описанного механизма повышения мощности с помощью катализатора осложняется необходимостью выполнения двух взаимоисключающих требований. Для обеспечения эффективного обмена с катализатором стенка волновода должна быть газопроницаемой, а для снижения резонаторных потерь стенки волновода должны быть изготовлены с высоким оптическим качеством. Нами было показано, что при использовании волновода с газопроницаемыми стенками (относительно невысокого оптического качества) и стабилизатора газового состава, размещенного в непосредственной близости от рабочей зоны, совокупный эффект оказывается положительным. As applied to waveguide lasers, the implementation of the described mechanism for increasing power using a catalyst is complicated by the need to fulfill two mutually exclusive requirements. To ensure effective exchange with the catalyst, the waveguide wall must be gas permeable, and to reduce the resonant losses, the waveguide walls must be manufactured with high optical quality. We have shown that when using a waveguide with gas-permeable walls (relatively low optical quality) and a stabilizer of gas composition located in the immediate vicinity of the working area, the combined effect is positive.
Предложенное конструктивное решение наиболее эффективно для лазеров с капиллярным каналом, где значительно затруднен газообмен между буферным объемом и разрядным промежутком. Это решение эффективно и для щелевых лазеров, хотя эффект менее выражен из-за отсутствия боковых стенок в разрядном канале. В обоих случаях в установлении уровня концентрации CO2 в разрядном промежутке в процессе работы определяющую роль имеет каталитическая активность стабилизатора газового состава 8.The proposed constructive solution is most effective for lasers with a capillary channel, where gas exchange between the buffer volume and the discharge gap is significantly complicated. This solution is also effective for slit lasers, although the effect is less pronounced due to the absence of side walls in the discharge channel. In both cases, the catalytic activity of the gas stabilizer 8 has a decisive role in establishing the level of CO 2 concentration in the discharge gap during operation.
Если выполнить рабочую поверхность электрода перфорированной по краям вдоль электрода (см. п. 4 формулы) и таким образом увеличить в волноводном резонаторе потери для мод высших порядков, то можно реализовать генерацию на гибридной волноводной моде EH11, при которой выходной пучок лазера имеет по сечению близкое к Гауссову распределение интенсивности.If we make the working surface of the electrode perforated along the edges along the electrode (see Section 4 of the formula) and thus increase the losses in the waveguide resonator for higher-order modes, then we can realize generation on the hybrid waveguide mode EH 11 , in which the laser output beam has a cross section close to Gaussian intensity distribution.
Пример конкретного выполнения. Эксперименты выполнения. Эксперименты проводились на волноводном CO2- лазере с длиной волновода 288 мм и сечением 3 • 3 мм2. Волноводный разрядный канал лазера был образован потенциальным электродом из алюминиевого сплава, отполированным с оптическим качеством, двумя полированными пластинами из керамики АИ - 1 и земляным электродом. Для сопоставления экспериментальных данных использовалось два типа земляных электродов: штатный, из алюминиевого сплава с тщательной полировкой рабочей поверхности волновода, и электрод с рабочей поверхностью в виде мелкоячеистой сетки из нержавеющей стали (диаметр проволоки 0,03 мм, шаг 0,02 мм), закрывающей полость для размещения стабилизатора газового состава. Лазер комплектовался плоскими зеркалами с диэлектрическим покрытием: выходное зеркало с коэффициентом отражения ~90% было выполнено на подложке из селенида цинка, коэффициент отражения глухого зеркала на подложке из молибдена превышал 99%. Накачка лазера осуществлялась от ВЧ-генератора с рабочей частотой 81,36 мГц. Использовалась рабочая смесь CO2:N2:He:Xe = 1:1:5:0,3 при давлении 80 мм рт.ст..An example of a specific implementation. Execution experiments. The experiments were carried out on a CO 2 waveguide laser with a waveguide length of 288 mm and a cross section of 3 • 3 mm 2 . The waveguide discharge channel of the laser was formed by a potential aluminum alloy electrode polished with optical quality, two polished AI - 1 ceramic plates and an earth electrode. To compare the experimental data, two types of ground electrodes were used: a standard one, made of aluminum alloy with careful polishing of the working surface of the waveguide, and an electrode with a working surface in the form of a fine-mesh stainless steel mesh (wire diameter 0.03 mm, pitch 0.02 mm), covering cavity to accommodate the stabilizer of the gas composition. The laser was equipped with dielectric-coated flat mirrors: an output mirror with a reflection coefficient of ~ 90% was made on a zinc selenide substrate, and the reflection coefficient of a blind mirror on a molybdenum substrate exceeded 99%. The laser was pumped from an RF generator with an operating frequency of 81.36 MHz. We used a working mixture of CO 2 : N 2 : He: Xe = 1: 1: 5: 0.3 at a pressure of 80 mm Hg.
Со штатным земляным электродом мощность генерации лазера составила 11 Вт. При наложении на полированную поверхность электрода мелкоячеистой сетки из нержавеющей стали выходная мощность лазера снизилась до 9,7 Вт, т.е. на ~ 12%. После установки земляного электрода с мелкоячеистой сеткой, закрывающей полость со стабилизатором газового состава (использовалась платина, нанесенная на селикагель), мощность генерации лазера повысилась ~на 21% и составила 11,7 Вт. Таким образом, выходная мощность предложенного лазера и соответственно его удельный энергосъем повысились на ~ 6,4%. With a standard earth electrode, the laser power was 11 watts. When a fine-mesh stainless steel mesh was applied to the polished surface of the electrode, the laser output power decreased to 9.7 W, i.e. by ~ 12%. After installing an earthen electrode with a fine mesh mesh covering a cavity with a gas stabilizer (platinum supported on silica gel was used), the laser generation power increased by ~ 21% and amounted to 11.7 watts. Thus, the output power of the proposed laser and, accordingly, its specific energy output increased by ~ 6.4%.
В процессе прямых испытаний приборов на долговечность осуществлялся постоянный контроль уровня мощности излучения, а также динамики изменения парциальных давлений основных компонент рабочей смеси. Анализ газовой смеси, проведенный до и после испытаний, показал, что стабилизатор газового состава обеспечивает сохранение исходной равновесной степени диссоциации CO2 в течение длительного времени. Реальная долговечность отпаянного волноводного CO2-лазера предложенной конструкции возросла до 3000 ч и более. Таким образом, в предложенном устройстве время, в течение которого мощность излучения снижается вдвое, увеличивается по сравнению с лазером со штатным земляным электродом более чем в 10 раз.In the process of direct testing of devices for durability, constant monitoring of the level of radiation power was carried out, as well as the dynamics of the partial pressures of the main components of the working mixture. The analysis of the gas mixture, carried out before and after the tests, showed that the stabilizer of the gas composition ensures the preservation of the initial equilibrium degree of dissociation of CO 2 for a long time. The actual durability of the soldered waveguide CO 2 laser of the proposed design increased to 3000 hours or more. Thus, in the proposed device, the time during which the radiation power is halved, increases compared with a laser with a standard ground electrode more than 10 times.
Проверялась также работа лазера по п. 6 формулы. При использовании штатного земляного электрода с полированной рабочей поверхностью наблюдалось изменение модового состава генерации лазера на начальной стадии работы (в течение 20 - 30 мин). Замена штатного земляного электрода на электрод с перфорированной по краям рабочей поверхностью (ширина щелей вдоль электрода ~ 0,1 мм) позволила стабилизировать модовый состав без заметного уменьшения мощности генерации лазера. The operation of the laser was also checked according to claim 6 of the formula. When using a standard ground electrode with a polished working surface, a change was observed in the mode composition of laser generation at the initial stage of operation (within 20-30 minutes). Replacing a standard ground electrode with an electrode with a working surface perforated at the edges (the width of the slits along the electrode is ~ 0.1 mm) made it possible to stabilize the mode composition without a noticeable decrease in the laser generation power.
По своим функциональным параметрам предложенное устройство может найти широкое применение при экологическом мониторинге окружающей среды, в системах лазерной локации, технологии и медицине. According to its functional parameters, the proposed device can be widely used in environmental monitoring of the environment, in laser location systems, technology and medicine.
По результатам работ у нас, в ФНЦ НИИКИ ОЭП ВНЦ "ГОИ им С.И.Вавилова" разработан макетный образец волноводного CO2-лазера для использования в области лазерной хирургии и косметологии, который успешно прошел испытания. В настоящее время ведется конструктивная проработка изделия для мелкосерийного производства.According to the results of our work, a prototype of a waveguide CO 2 laser for use in the field of laser surgery and cosmetology was developed at the Federal Research Center for Scientific Research, OEP VSC "GOI named after S.I. Vavilov", which was successfully tested. Currently, constructive development of the product for small-scale production is underway.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97114029A RU2141709C1 (en) | 1997-08-14 | 1997-08-14 | Gas laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97114029A RU2141709C1 (en) | 1997-08-14 | 1997-08-14 | Gas laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU97114029A RU97114029A (en) | 1999-06-20 |
| RU2141709C1 true RU2141709C1 (en) | 1999-11-20 |
Family
ID=20196398
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU97114029A RU2141709C1 (en) | 1997-08-14 | 1997-08-14 | Gas laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2141709C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2773619C1 (en) * | 2021-06-21 | 2022-06-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Сервотехника" | Slit-type gas laser |
-
1997
- 1997-08-14 RU RU97114029A patent/RU2141709C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2773619C1 (en) * | 2021-06-21 | 2022-06-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Сервотехника" | Slit-type gas laser |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| GB1451975A (en) | Gaseous laser with cathode forming optical resonator support and plasma tube envelope | |
| GB2083687A (en) | Circulating gas laser | |
| RU2141709C1 (en) | Gas laser | |
| US7469000B2 (en) | Gas lasers including nanoscale catalysts and methods for producing such lasers | |
| EP0015682B1 (en) | Raman tube | |
| US4945543A (en) | Gain medium for radiant energy source | |
| US4344174A (en) | Gas lasers | |
| US4796271A (en) | High duty factor rare gas halide laser | |
| US3810043A (en) | Method of operating closed-cycle carbon dioxide lasers in which carbon monoxide is used to prevent degradation of performance | |
| US3857793A (en) | Fluorescent organic compound laser | |
| Wellegehausen et al. | Cascade laser emission of optically pumped Na2 molecules | |
| RU2354019C1 (en) | Active medium for electric discharge co laser or amplifier and method of its pumping | |
| RU59324U1 (en) | SOURCE OF RADIATION | |
| US4035691A (en) | Pulsed laser excitation source | |
| RU2329578C1 (en) | Gas laser with high-frequency excitation | |
| RU2258975C1 (en) | Emission source | |
| Wang et al. | Radio frequency pumped mid-infrared waveguide lasers | |
| RU2073950C1 (en) | Waveguide co2 laser with lateral high-frequency pumping | |
| US3493889A (en) | Chemically pumped laser device | |
| Skippon et al. | Kinetics and operation of the atomic mercury laser | |
| RU205117U1 (en) | Radiation source | |
| Ghorbanzadeh et al. | Improvement of Nd: YAG laser efficiency by long lifetime dye doped ORMOSILs | |
| RU2153744C2 (en) | Gaseous-discharge co laser | |
| Donghua et al. | Study of efficient transverse-electric-excitation cw CO/sub 2/lasers | |
| SU932961A1 (en) | Method for obtaining plasma |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070815 |