RU2236075C1

RU2236075C1 - Active element of metallic-vapor laser

Info

Publication number: RU2236075C1
Application number: RU2003102571/28A
Authority: RU
Inventors: Г.С. Евтушенко (RU); Г.С. Евтушенко; О.В. Жданеев (RU); О.В. Жданеев; В.М. Климкин (RU); В.М. Климкин; В.М. Погребенков (RU); В.М. Погребенков; В.Б. Суханов (RU); В.Б. Суханов; В.Ф. Федоров (RU); В.Ф. Федоров
Original assignee: Томский политехнический университет
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-09-10

Abstract

FIELD: quantum electronics; medicine, microelectronic technologies, navigation, scientific research, air sounding.

SUBSTANCE: proposed active element has vacuum-tight case with output windows at ends that accommodates coaxially arranged beryllium ceramic tube bounding laser operating channel with holder placed therein that carries working metal evaporating fittings disposed at regular intervals throughout entire length of holder, and two electrodes. Holder is made in the form of cylinder coaxially arranged relative to vacuum-tight case and has ribs whose height amounts to 0.2 - 0.8 of operating channel radius; total cross-sectional area of ribs is not over 50% of operating channel cross-sectional area; heat insulation is inserted between vacuum-tight case and beryllium ceramic cylinder. Electrodes are made in the form of cylindrical cups joined to vacuum-tight case and filled with copper swarf. In vicinity of operating channel vacuum-tight case is enclosed on outside with heat chamber accommodating at least one temperature sensor and one fan, both electrically connected to temperature control unit.

EFFECT: enhanced reliability, improved power and frequency characteristics of laser; enhanced uniformity of its discharge.

5 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, лазерам на парах металлов и может быть использовано при разработке лазеров на парах металлов и их соединений, в том числе с большим диаметром рабочего канала, например меди, для целей медицины, микроэлектронных технологий, навигации, научных исследований, зондирования атмосферы и т.д.The invention relates to quantum electronics, metal vapor lasers and can be used in the development of metal vapor lasers and their compounds, including with a large diameter of the working channel, such as copper, for medicine, microelectronic technology, navigation, scientific research, atmospheric sensing etc.

Известен активный элемент лазера на парах металлов и их соединений (US № 6175583, опубл 16 января 2001). Активный элемент лазера представляет собой керамический разрядный канал 10, который окружен пористым глиноземным высокотемпературным теплоизолятором 20, который, в свою очередь, помещен в вакуумно-плотный кварцевый корпус 30. Концы вакуумно-плотного кварцевого корпуса 30 содержат концевые элементы 40 и 41, которые удерживают анод 50 и катод 51. Вакуумно-плотный кварцевый корпус окружена слоем теплоизолятора 101, который окружен нагревательным элементом 100, который, в свою очередь, покрыт толстым слоем теплоизолятора 102. Поверхность изолятора 102 покрыта алюминиевой фольгой 105. В промежуток между катодом 51 и теплоизолятором 20 помещены навески из тантала 130. Концевые элементы 40 и 41 имеют входное и выходное отверстия для прокачки газообразной добавки, соединенные с подающей газ системой. Введение специальной газообразной примеси обеспечивает повышение генерационных характеристик лазера. Кроме того, концевые элементы 40 и 41 в своей конструкции содержат выходные окна 60 и 61. Внутри керамического разрядного канала 10 расположены навески рабочего металла 110.Known active element of a vapor laser of metals and their compounds (US No. 6175583, published January 16, 2001). The active element of the laser is a ceramic discharge channel 10, which is surrounded by a porous alumina high-temperature heat insulator 20, which, in turn, is placed in a vacuum-tight quartz body 30. The ends of the vacuum-tight quartz body 30 contain end elements 40 and 41 that hold the anode 50 and cathode 51. The vacuum-tight quartz body is surrounded by a layer of heat insulator 101, which is surrounded by a heating element 100, which, in turn, is covered with a thick layer of heat insulator 102. The surface of the insulator 102 p Covered aluminum foil 105. The gap between the cathode 51 and the insulator 20 are placed linkage of tantalum 130. The end members 40 and 41 have inlet and outlet openings for pumping gaseous additive, connected to the gas supply system. The introduction of a special gaseous impurity provides an increase in the lasing characteristics of the laser. In addition, the end elements 40 and 41 in their design contain output windows 60 and 61. Inside the ceramic discharge channel 10 are mounted samples of working metal 110.

Недостатками активного элемента лазера является то, что для ввода газообразной добавки необходима прокачка газообразной добавки через активную среду лазера, что снижает срок службы, надежность и повышает сложность конструкции активного элемента лазера, использование для введения газообразной добавки специального подводящего канала, усложняющего в целом конструкцию лазера и затрудняющее точный контроль введенной добавки.The disadvantages of the active element of the laser is that for introducing a gaseous additive, it is necessary to pump the gaseous additive through the active medium of the laser, which reduces the service life, reliability and increases the complexity of the design of the active laser element, the use of a special supply channel for introducing the gaseous additive, complicating the overall laser design and making it difficult to accurately control the added additive.

Известен активный элемент лазера на парах меди (Chang J.J., Warner В.Е, Boley C.D, Dragon E.P High-power copper vapour lasers and applications // Pulsed Metal Lasers, С.E. Little and N.V Sabotinov editors, 1996, P.101-112). Активный элемент лазера (фиг.1) представляет собой вакуумно-плотный корпус, который внутри содержит электроды, расположенные друг напротив друга и соединенные с источником питания. Рабочий канал расположен между электродами. Отражатель расположен непосредственно по краям рабочего канала. Новшество конструкции заключается во введении в рабочий канал радиальной перегородки, которая делит рабочий канал на две равные части.The active element of a copper vapor laser is known (Chang JJ, Warner B.E., Boley CD, Dragon EP High-power copper vapor lasers and applications // Pulsed Metal Lasers, C.E. Little and NV Sabotinov editors, 1996, P.101 -112). The active element of the laser (figure 1) is a vacuum-tight housing, which inside contains electrodes located opposite each other and connected to a power source. The working channel is located between the electrodes. The reflector is located directly on the edges of the working channel. The design innovation is the introduction of a radial partition into the working channel, which divides the working channel into two equal parts.

Недостатками активного элемента лазера является то, что предложенная конструкция вследствие наличия одного выделенного направления приводит к появлению существенных радиальных неоднородностей параметров плазмы, кроме того, не удается реализовать однородный по сечению газоразрядной трубки разряд без применения дополнительного импульса возбуждения либо использования секционированных электродов.The disadvantages of the active element of the laser is that the proposed design, due to the presence of one distinguished direction, leads to the appearance of significant radial inhomogeneities of the plasma parameters; moreover, it is not possible to realize a discharge that is uniform over the cross section of the gas discharge tube without the use of an additional excitation pulse or the use of sectioned electrodes.

Известен активный элемент лазера на парах меди (Кирилов А.Е., Полунин Ю.П., Солдатов А.Н. А.С № 711986. Опубл. 30.03 1984, БИ № 12; Солдатов А.Н. Диссертация на соискание степени д.ф.-м.н., Томск, 1998, 355 с.), выбранный в качестве прототипа. Конструкция активного элемента представляет собой вакуумно-плотный корпус 1, оболочку рабочего канала 2, выходные окна 3, рабочие электроды 4, стержень держатель с испарителями рабочего металла 5, набор коаксиально расположенных трубок-держателей с испарителями металла 6 (фиг.2).The active element of the copper vapor laser is known (Kirilov A.E., Polunin Yu.P., Soldatov A.N. A.S. No. 711986. Publ. 30.03 1984, BI No. 12; Soldatov A.N. Thesis for the degree d Ph.D., Tomsk, 1998, 355 pp.), selected as a prototype. The design of the active element is a vacuum-tight housing 1, the shell of the working channel 2, output windows 3, working electrodes 4, a rod holder with evaporators of working metal 5, a set of coaxially arranged tube holders with metal evaporators 6 (figure 2).

Недостатками активного элемента лазера является то, что не удается реализовать однородный по сечению газоразрядной трубки (ГРТ) разряд без применения дополнительного импульса возбуждения, однако даже при зажигании импульсно-периодического разряда во всех секциях активного элемента условия возбуждения в каждой секции будут отличаться друг от друга, что приводит к существенному снижению качества выходного излучения, кроме того, затруднен вынос тепла из центрального рабочего канала, что приводит к его преждевременному перегреву.The disadvantages of the active element of the laser is that it is not possible to realize a discharge that is uniform over the cross section of the gas discharge tube (GDT) without using an additional excitation pulse, however, even when a pulse-periodic discharge is ignited in all sections of the active element, the excitation conditions in each section will differ from each other, which leads to a significant decrease in the quality of the output radiation, in addition, it is difficult to remove heat from the central working channel, which leads to its premature overheating.

Задачей изобретения является повышение частотных и энергетических характеристик лазеров на парах металлов, а также повышение однородности разряда путем создания простого и надежного активного элемента лазера на парах металлов.The objective of the invention is to increase the frequency and energy characteristics of metal vapor lasers, as well as increase the uniformity of the discharge by creating a simple and reliable active element of a metal vapor laser.

Поставленная задача решена за счет того, что в активном элементе лазера на парах металлов, содержащем так же, как и прототип, вакуумно-плотный корпус с выходными окнами на торцах, внутри которого коаксиально размещена трубка из бериллиевой керамики, ограничивающая рабочий канал лазера, с помещенным внутри держателем, по всей длине которого периодично расположены навески-испарители рабочего металла, а также два электрода, согласно изобретению, держатель выполнен в виде цилиндра, расположенного коаксиально с вакуумно-плотным корпусом, с внутренними радиальными ребрами, имеющими высоту от 0,2 до 0,8 радиуса рабочего канала и общую площадь сечения ребер не более 50% площади сечения рабочего канала, между вакуумно-плотным корпусом и цилиндром из бериллиевой керамики размещена теплоизоляция при этом электроды выполнены в виде цилиндрических стаканов, присоединенных к вакуумно-плотному корпусу и заполненных медной стружкой, кроме того, вакуумно-плотный корпус в районе рабочего канала снаружи охвачен тепловой камерой, в которой размещены, по крайней мере, один термодатчик и один вентилятор, электрически связанные с блоком контроля температуры.The problem is solved due to the fact that in the active element of the metal vapor laser, which contains, like the prototype, a vacuum-tight housing with exit windows at the ends, inside of which a beryllium ceramic tube is placed coaxially, which limits the laser working channel, with inside the holder, along the entire length of which the working metal evaporator hinges are periodically located, as well as two electrodes, according to the invention, the holder is made in the form of a cylinder located coaxially with a vacuum-tight housing, with morning radial ribs having a height of 0.2 to 0.8 radius of the working channel and the total cross-sectional area of the ribs is not more than 50% of the cross-sectional area of the working channel, thermal insulation is placed between the vacuum-tight casing and the beryllium ceramic cylinder, while the electrodes are made in the form of cylindrical glasses connected to a vacuum-tight casing and filled with copper chips, in addition, the vacuum-tight casing in the area of the working channel is externally covered by a heat chamber in which at least one temperature sensor and one The fan electrically connected to a temperature control unit.

Держатель может быть выполнен из корундовой или из бериллиевой керамики.The holder can be made of corundum or beryllium ceramic.

Тепловая камера может быть выполнена с внутренней продольной перегородкой имеющей отверстия для отвода тепла.The heat chamber can be made with an internal longitudinal partition having openings for heat removal.

Цилиндрический держатель может быть выполнен из набора шайб, расположенных коаксиально с вакуумно-плотным корпусом.The cylindrical holder can be made of a set of washers arranged coaxially with a vacuum-tight housing.

На фиг.3 изображена зависимость средней температуры газа лазера на парах меди в рабочем канале для ГРТ с цилиндрической геометрией и профилированной поверхностью в зависимости от удельного энерговклада для трех видов распределения по сечению рабочего канала вводимой мощности. Из фиг.3 видно, что для обоих типов ГРТ рост энерговклада приводит к быстрому возрастанию средней температуры газа. Однако имеется различие в поведении населенности основного уровня атома меди на оси ГРТ в зависимости от удельного энерговклада для разных геометрий рабочего канала: при стандартной цилиндрической геометрии наблюдается снижение концентрации атомов меди в основном состоянии S_1/2 при увеличении удельного энерговклада, в то время как для ГРТ с профилированным рабочим каналом наблюдается обратная зависимость - концентрация атомов меди в основном состоянии повышается при увеличении вводимой в единицу объема энергии. Это происходит вследствие того, что увеличение концентрации атомов меди в активной среде лазера при возрастании удельного энерговклада для ГРТ с профилированным рабочим каналом происходит значительно быстрее по сравнению с ГРТ цилиндрической конструкции, при этом температура газа на оси ГРТ цилиндрической формы при увеличении энерговклада возрастает быстрее, чем для ГРТ с профилированным рабочим каналом. Т.е. температура на оси ГРТ растет быстрее для случая цилиндрического рабочего канала. Таким образом, введение радиальных вставок приводит к замедлению роста температуры газа на оси ГРТ при увеличении удельного энерговклада.Figure 3 shows the dependence of the average temperature of the gas of the copper vapor laser in the working channel for hydraulic fracturing with a cylindrical geometry and a profiled surface, depending on the specific energy input for three types of distribution of the input power over the working channel section. From figure 3 it is seen that for both types of GDT, the increase in energy input leads to a rapid increase in the average gas temperature. However, there is a difference in the behavior of the population of the ground level of the copper atom on the axis of the GDT depending on the specific energy input for different geometries of the working channel: with standard cylindrical geometry, a decrease in the concentration of copper atoms in the ground state is S _1/2 with an increase in the specific energy input, while for GDT with a profiled working channel, an inverse relationship is observed - the concentration of copper atoms in the ground state increases with increasing energy input per unit volume. This is due to the fact that the increase in the concentration of copper atoms in the active medium of the laser with an increase in the specific energy input for a GDF with a profiled working channel is much faster compared to a cylindrical GDT, while the gas temperature on the axis of a GDT of a cylindrical shape increases faster with an increase in energy input than for GDT with a profiled working channel. Those. the temperature on the axis of the GDT increases faster for the case of a cylindrical working channel. Thus, the introduction of radial inserts slows down the increase in gas temperature on the axis of the GDT with an increase in the specific energy input.

Радиальные распределения температуры газа в рабочем канале и концентрации меди в основном состоянии показаны на фиг.4 (а-б). Видно, что для ГРТ с профилированным рабочим каналом степень неоднородности концентрации атомов меди в основном состоянии по сравнению с ГРТ цилиндрической геометрии значительно меньше. При уровне удельной вводимой мощности в 1 Вт/см³ отношение равновесной с температурой стенки концентрации атомов меди в состоянии S_1/2 к концентрации атомов меди на оси для цилиндрической геометрии разрядного канала равно 1,613, в то время как для профилированного рабочего канала только 1,197, т.е. в 1,348 раза больше. При увеличении удельного энерговклада это отношении возрастает. Кроме того, возрастает степень однородности распределения атомов буферного газа по сечению ГРТ, что и приводит к увеличению частоты электрон-атомных столкновений, практически полностью за исключением самых ранних периодов развития разряда, определяющих проводимость плазмы. Это приводит к улучшению согласования активного элемента с разрядным контуром, что повышает эффективность работы устройства. Таким образом, предложенная конструкция активного элемента с профилированным рабочим каналом позволяет создать более однородное радиальное распределение паров металла. Результаты расчета, представленные на фиг.4 (в), иллюстрируют тот факт, что для ГРТ с профилированным рабочим каналом уровень равновесной с температурой газа заселенности метастабильных уровней атома меди значительно меньше, чем для цилиндрической конструкции рабочего канала На фиг 4 (в) представлено изображение радиального распределения концентрации атомов меди в метастабильном состоянии. Для ГРТ с цилиндрической геометрией рабочего канала отношение концентрации атомов меди в метастабильном состоянии на оси к концентрации в пристеночной области равно 19,901, в то время как для ГРТ с профилированным рабочим каналом это отношение равно лишь 3,677, т.е. в 5,412 раза меньше. Данный факт свидетельствует о гораздо более высокой степени радиальной однородности предымпульсной концентрации атомов меди в метастабильном состоянии, что ведет к повышению однородности генерации и качества выходного излучения, являющегося основным преимуществом газовых лазеров по сравнению с твердотельными лазерами.Radial distributions of the gas temperature in the working channel and the concentration of copper in the ground state are shown in Fig. 4 (a-b). It can be seen that for a GDT with a profiled working channel, the degree of heterogeneity of the concentration of copper atoms in the ground state is much less than that of a cylindrical GDT. With a specific input power level of 1 W / cm ^{3, the} ratio of the concentration of copper atoms in the state S _1/2 with the wall temperature to the concentration of copper atoms on the axis for the cylindrical geometry of the discharge channel is 1.613, while for the shaped working channel it is only 1.197, those. 1.348 times more. With an increase in the specific energy input, this ratio increases. In addition, the degree of homogeneity of the distribution of buffer gas atoms over the cross section of the GDT increases, which leads to an increase in the frequency of electron-atom collisions, almost completely with the exception of the earliest periods of discharge development, which determine the plasma conductivity. This leads to improved matching of the active element with the discharge circuit, which increases the efficiency of the device. Thus, the proposed design of the active element with a profiled working channel allows you to create a more uniform radial distribution of metal vapor. The calculation results presented in Fig. 4 (c) illustrate the fact that for a GDF with a profiled working channel, the level of population of the metastable levels of the copper atom that is equilibrium with the gas temperature is much lower than for the cylindrical design of the working channel. Figure 4 (c) shows the image radial distribution of the concentration of copper atoms in a metastable state. For a GDF with a cylindrical geometry of the working channel, the ratio of the concentration of copper atoms in the metastable state on the axis to the concentration in the wall region is 19.901, while for a GDT with a profiled working channel this ratio is only 3.677, i.e. 5.412 times less. This fact indicates a much higher degree of radial homogeneity of the prepulse concentration of copper atoms in the metastable state, which leads to an increase in the generation uniformity and the quality of the output radiation, which is the main advantage of gas lasers compared to solid-state lasers.

Рассмотрим влияние на параметры плазмы изменения диффузионной длины при введении радиальных вставок в рабочий канал лазера. Для газоразрядной трубки цилиндрической конструкции диффузионная длина может быть вычислена по следующей формуле:Let us consider the effect on the plasma parameters of changes in the diffusion length upon the introduction of radial inserts into the working channel of the laser. For a cylindrical gas discharge tube, the diffusion length can be calculated using the following formula:

где r - радиус цилиндра,where r is the radius of the cylinder,

L - длина цилиндрической полости.L is the length of the cylindrical cavity.

Т.к. второе слагаемое гораздо меньше, особенно в случае профилированного рабочего канала, то диффузионная длина может быть оценена:Because the second term is much smaller, especially in the case of a profiled working channel, the diffusion length can be estimated:

где r_р - среднее расстояние до стенки радиальной вставки.where r _p is the average distance to the wall of the radial insert.

Таким образом, использование профилированного рабочего канала приводит к уменьшению диффузионной длины более чем на порядок, что существенно повышает роль диффузионных процессов. Становится более ярковыраженным диффузионный вынос на стенку с последующим тушением атомов в метастабильном состоянии, диффузионный уход электронов с последующей рекомбинацией на стенке. Кроме того, наличие в уравнении для описания временной зависимости температуры электронов членаThus, the use of a profiled working channel leads to a decrease in the diffusion length by more than an order of magnitude, which significantly increases the role of diffusion processes. The diffusion removal to the wall with subsequent quenching of atoms in a metastable state becomes more pronounced, the diffusion escape of electrons with subsequent recombination on the wall. In addition, the presence in the equation for describing the time dependence of the temperature of the electrons of the term

где D_a(T_e) - коэффициент амбиполярной диффузии электронов,where D _a (T _e ) is the coefficient of ambipolar diffusion of electrons,

Т_е - температура электронов,T _e - electron temperature,

k - постоянная Больцмана,k is the Boltzmann constant,

приводит к снижению температуры электронов, что в свою очередь согласно уравнениюleads to a decrease in the electron temperature, which in turn according to the equation

где β - коэффициент тройной рекомбинации,where β is the coefficient of triple recombination,

N_e - концентрация электронов,N _e is the concentration of electrons,

обеспечивает более интенсивную рекомбинацию электронов в послесвечении и соответственно снижение предымпульсной концентрации электронов.provides a more intense recombination of electrons in the afterglow and, accordingly, a decrease in prepulse electron concentration.

Таким образом, уменьшение диффузионной длины является еще одним фактором, объясняющим влияние радиальных вставок на генерационные характеристики лазера на парах меди. Данное влияние происходит опосредованно через уменьшение предымпульсных значений температуры и концентрации электронов, а также концентрации атомов меди в метастабильном состоянии.Thus, a decrease in the diffusion length is another factor explaining the effect of radial inserts on the lasing characteristics of a copper vapor laser. This effect occurs indirectly through a decrease in the prepulse temperature and electron concentration, as well as the concentration of copper atoms in the metastable state.

Таким образом, использование активного элемента с рабочим каналом предложенной конструкции приводит к повышению в несколько раз энергетических, частотных характеристик и качества выходного излучения лазера на парах меди.Thus, the use of an active element with a working channel of the proposed design leads to a several-fold increase in the energy, frequency characteristics and quality of the output radiation of a copper vapor laser.

Выполнение вакуумно-плотного корпуса активного элемента с предлагаемой конструкцией и соответствующим размещением рабочего металла относительно рабочего канала позволяет создать условия саморазогревного режима работы лазера, в котором условия возбуждения и скорость вращения вентиляторов определяют температуру рабочего канала. По мере разогрева активного элемента лазера создаются условия для плавления рабочего металла и осуществления подачи его паров в рабочий канал.The implementation of the vacuum-tight casing of the active element with the proposed design and the corresponding placement of the working metal relative to the working channel allows you to create conditions for self-heating mode of the laser, in which the excitation conditions and fan speed determine the temperature of the working channel. As the active element of the laser is heated, conditions are created for the working metal to melt and supply its vapor to the working channel.

Количество радиальных ребер определяется их геометрическими размерами: желательно выполнение ребер радиальной вставки более тонкими, однако минимальная толщина ограничена термостойкостью ребра. Кроме того, общая площадь сечений ребер радиальной вставки не должна превышать 50% от площади сечения рабочего канала. Превышение данного предела приводит к снижению как удельной, так и средней выходной мощности.The number of radial ribs is determined by their geometric dimensions: it is desirable to make the ribs of the radial insert thinner, but the minimum thickness is limited by the heat resistance of the ribs. In addition, the total cross-sectional area of the ribs of the radial insert should not exceed 50% of the cross-sectional area of the working channel. Exceeding this limit leads to a decrease in both specific and average output power.

Значение высоты ребра радиальной вставки определяется следующим: при значении, меньшем 20% радиуса рабочего канала, незначительное увеличение энергетических и частотных характеристик не оправдывает экономических затрат на изготовление активного элемента с профилированным рабочим каналом Превышение верхнего предела, т.е. 0,8 радиуса рабочего канала, приводит к технологическим трудностям при изготовлении ребер радиальной вставки.The value of the height of the radial insert rib is determined as follows: for a value less than 20% of the radius of the working channel, a slight increase in the energy and frequency characteristics does not justify the economic costs of manufacturing an active element with a profiled working channel Exceeding the upper limit, i.e. 0.8 radius of the working channel, leads to technological difficulties in the manufacture of the ribs of the radial insert.

Дополнительное утепление рабочего канала теплоизоляцией позволяет снизить продольный вынос рабочего металла и при более низком энерговкладе достичь рабочей температуры.Additional warming of the working channel with thermal insulation allows to reduce the longitudinal removal of the working metal and to achieve a working temperature at a lower energy input.

Размещение вакуумно-плотного кварцевого корпуса в тепловой камере устраняет необходимость его утепления теплоизоляцией для образования паров рабочего металла и создает возможность контролирования их температуры. Тепловая камера выполняется с воздушным охлаждением и может иметь как прямоугольную, так и цилиндрическую форму. Ее стенки должны отстоять от стенок вакуумно-плотного корпуса на расстоянии, устраняющем возникновение разряда между ними. Количество вентиляторов, встроенных во внешнюю стенку тепловой камеры, определяется длиной рабочего канала активного элемента.Placing a vacuum-tight quartz case in a heat chamber eliminates the need for thermal insulation to form vapor of the working metal and makes it possible to control their temperature. The heat chamber is air-cooled and can have either a rectangular or cylindrical shape. Its walls should be separated from the walls of the vacuum-tight housing at a distance that eliminates the occurrence of a discharge between them. The number of fans built into the outer wall of the heat chamber is determined by the length of the working channel of the active element.

На фиг.1 представлено поперечное сечение газоразрядной трубки лазера на парах металла.Figure 1 shows a cross section of a gas discharge tube of a metal vapor laser.

На фиг.2 изображена конструкция газоразрядной трубки лазера на парах металлов и поперечное сечение разрядного канала.Figure 2 shows the design of the gas-discharge tube of a metal vapor laser and the cross section of the discharge channel.

На фиг.3 представлена зависимость средней по радиусу ГРТ температуры газа, где кривые 1 - для цилиндрической геометрии ГРТ, кривые 2 - для профилированного рабочего канала, сплошная кривая - для однородного по сечению рабочего канала энерговклада, пунктирная кривая - для треугольного распределения энерговклада, штрихпунктирная кривая для энерговклада параболического распределения энерговклада.Figure 3 shows the dependence of the gas temperature average over the radius of the GDT, where curves 1 are for the cylindrical GDT geometry, curves 2 are for the profiled working channel, the solid curve is for the energy input uniform in cross section of the working channel, the dashed curve is for the triangular distribution of the energy input, dash-dotted curve for energy input parabolic distribution of energy input.

На фиг.4 (а) представлена зависимость температуры газа по радиусу ГРТ при удельном энерговкладе 1 Вт/см³, где кривые 1 - для цилиндрической геометрии, кривые 2 - для трубки с профилированным рабочим каналом, сплошная кривая - для однородного по сечению рабочего канала энерговклада, пунктирная кривая - для треугольного распределения энерговклада, штрихпунктирная кривая - для энерговклада параболического распределения энерговклада.Figure 4 (a) shows the dependence of the gas temperature along the GDT radius at a specific energy input of 1 W / cm ³ , where curves 1 are for cylindrical geometry, curves 2 are for a tube with a profiled working channel, a solid curve is for a uniform working channel cross-section energy deposition, dashed curve - for the triangular distribution of energy deposition, dash-dotted curve - for the energy deposition of the parabolic distribution of energy deposition.

На фиг.4 (б) представлено распределение по радиусу ГРТ концентрации атомов меди в основном состоянии при удельном энерговкладе 1 Вт/см³, где кривые 1 - для ГРТ с профилированным рабочим каналом, кривые 2 - для ГРТ цилиндрической геометрии, сплошная кривая - для однородного по сечению рабочего канала энерговклада, пунктирная кривая - для треугольного распределения энерговклада, штрихпунктирная кривая - для энерговклада параболического распределения энерговклада.Figure 4 (b) shows the distribution over the radius of the GDT of the concentration of copper atoms in the ground state at a specific energy input of 1 W / cm ³ , where curves 1 are for GDT with a profiled working channel, curves 2 are for GDT of cylindrical geometry, the solid curve is for homogeneous over the cross section of the working channel of the energy input, the dashed curve for the triangular distribution of the energy input, the dash-dot curve for the energy input of the parabolic distribution of the energy input.

На фиг 4 (в) представлено радиальное распределение равновесной с температурой газа концентрации атомов меди в состоянии D_5/2, где кривые 1 - для случая цилиндрической геометрии рабочего канала, кривые 2 - для профилированного рабочего канала, сплошная кривая - для однородного по сечению рабочего канала энерговклада пунктирная кривая для треугольного распределения энерговклада, штрихпунктирная кривая - для энерговклада параболического распределения энерговклада.Fig. 4 (c) shows the radial distribution of the concentration of copper atoms in equilibrium with gas temperature in state D _5/2 , where curves 1 for the case of cylindrical geometry of the working channel, curves 2 for the shaped working channel, the solid curve for a uniform working cross section energy input channel a dashed curve for the triangular distribution of the energy input, a dash-dot curve for the energy input of the parabolic distribution of the energy input.

На фиг.5 схематично изображена конструкция газоразрядной трубки лазера на парах металлов.Figure 5 schematically shows the design of the discharge tube of a metal vapor laser.

На фиг.6 схематично представлено поперечное сечение разрядного канала активного элемента лазера на парах металлов.Figure 6 schematically shows a cross section of the discharge channel of the active element of a metal vapor laser.

Активный элемент лазера (фиг.5) представляет собой цилиндрический вакуумно-плотный кварцевый корпус 1 с электродами 2 на ее концах. Электроды 2 засыпаны медной стружкой. Внутри вакуумно-плотного кварцевого корпуса 1 расположен керамический цилиндр 3 из оксида бериллия, образующий рабочий канал 4. Внутрь рабочего канала введен цилиндр-держатель 5 с внутренними радиальными ребрами (фиг 6) из корундовой керамики 22ХС с толщиной ребра 2 мм. Их высота составляет 0,7(1,4 см) радиуса рабочего канала, а их количество выбрано исходя из соотношения площадей общей площади сечений ребер радиальной вставки, равной 2,3, см, и площади сечения рабочего канала, равной 12,5 см², и равно 8. Общая площадь сечений ребер радиальной вставки составляет 18,5% площади сечения рабочего канала. Цилиндр-держатель может быть выполнен сборным из набора шайб, внутри которых также выполнены радиальные ребра. Поддержание необходимой температуры в рабочем канале обеспечено наличием теплоизоляции 6, например оксида циркония, между вакуумно-плотным корпусом и цилиндром из бериллиевой керамики. В нижней части радиальных вставок 5 через равные интервалы расположены восемь навесок-испарителей 7 рабочего металла, например меди, в твердом состоянии. На концах вакуумно-плотного корпуса 1 расположены выходными окна 8. Снаружи вакуумно-плотный корпус 1 охвачен тепловой камерой 9. Продольная внутренняя стенка тепловой камеры 9 имеет отверстия 10 для отвода тепла. Внешняя стенка тепловой камеры 9 оснащена двумя вентиляторами 11, а внутри тепловой камеры 9 установлен термодатчик 12, например термопара, электрически связанный с блоком контроля температуры 13 (БКТ), который, в свою очередь, соединен с вентиляторами 11. Электроды 2 соединены с импульсным источником питания 14 (ИИП).The active element of the laser (figure 5) is a cylindrical vacuum-tight quartz housing 1 with electrodes 2 at its ends. Electrodes 2 are filled with copper shavings. A ceramic cylinder 3 made of beryllium oxide, forming a working channel 4, is located inside a vacuum-tight quartz body 1. A holder cylinder 5 with internal radial ribs (Fig. 6) is made of corundum ceramics 22XC with a rib thickness of 2 mm. Their height is 0.7 (1.4 cm) of the radius of the working channel, and their number is selected based on the ratio of the areas of the total cross-sectional area of the ribs of the radial insert, equal to 2.3, cm, and the cross-sectional area of the working channel, equal to 12.5 cm ² , and equal to 8. The total cross-sectional area of the ribs of the radial insert is 18.5% of the cross-sectional area of the working channel. The cylinder holder can be prefabricated from a set of washers, inside of which radial ribs are also made. Maintaining the required temperature in the working channel is ensured by the presence of thermal insulation 6, for example zirconium oxide, between the vacuum-tight casing and the beryllium ceramic cylinder. In the lower part of the radial inserts 5, at equal intervals, there are eight hanging-evaporators 7 of the working metal, for example copper, in the solid state. At the ends of the vacuum-tight casing 1 there are exit windows 8. Outside, the vacuum-tight casing 1 is covered by a heat chamber 9. The longitudinal inner wall of the heat chamber 9 has openings 10 for heat removal. The outer wall of the heat chamber 9 is equipped with two fans 11, and a temperature sensor 12 is installed inside the heat chamber 9, for example, a thermocouple electrically connected to the temperature control unit 13 (BKT), which, in turn, is connected to the fans 11. The electrodes 2 are connected to a pulse source power supply 14 (IIP).

Данная конструкция активного элемента лазера на парах металла может в качестве рабочего металла содержать элементы из группы Сu, Pb, Mn, Sn, Au, Re. Еu..., либо их соединения CuF, CuCl, CuBr, CuI, PbBr, PbCl, SnBr, SnCI, SnF, AuCl, FeCl, HgBr, HgCl, HgF, ReCl, ReBr и другие.This design of the active element of a metal vapor laser can, as a working metal, contain elements from the groups Cu, Pb, Mn, Sn, Au, Re. Eu ... or their compounds CuF, CuCl, CuBr, CuI, PbBr, PbCl, SnBr, SnCI, SnF, AuCl, FeCl, HgBr, HgCl, HgF, ReCl, ReBr and others.

Блок контроля температуры 13 может быть выполнен на основе микроконтроллера Intel 8051. Импульсный источник питания 14 может быть выполнен по одной из стандартных схем (Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И, Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. М.: Научная книга, 1998. С. 86), например, следующим образом. От промышленной трехфазной сети с помощью высоковольтного трехфазного трансформатора и выпрямителя, реализованного по схеме Ларионова, осуществляется заряд накопительного конденсатора разрядного контура, который содержит активный элемент лазера. С заданной частотой коммутатор, например тиратрон ТГИ2-1000/25, подключает накопительный конденсатор к электродам активного элемента лазера.The temperature control unit 13 can be made on the basis of the Intel 8051 microcontroller. Switching power supply 14 can be performed according to one of the standard schemes (Batenin V.M., Buchanov V.V., Kazaryan M.A., Klimovsky I.I., Molodykh EI, Lasers on self-limited transitions of metal atoms (Moscow: Scientific Book, 1998, p. 86), for example, as follows. From an industrial three-phase network using a high-voltage three-phase transformer and a rectifier implemented according to the Larionov circuit, the storage capacitor of the discharge circuit, which contains the active laser element, is charged. With a given frequency, a switch, such as a TGI2-1000 / 25 thyratron, connects a storage capacitor to the electrodes of the active laser element.

Активный элемент лазера на парах меди с набором радиальных вставок работает следующим образом. При включении импульсного источника питания 14 на электроды 2 вакуумно-плотного корпуса 1 подается напряжение. В рабочем канале 4 формируется разряд. С течением времени в тепловой камере 9 создаются условия, при которых навески 7 меди внутри рабочего канала 4 достигают необходимой температуры и начинают плавиться и в виде паров поступать в разряд с последующим возбуждением атомов меди и возникновением генерации. При этом посредством более однородного радиального распределения параметров плазмы и уменьшения диффузионной длины обеспечивается увеличение генерационных характеристик лазера на парах металла. При повышении температуры внутри тепловой камеры 9 выше необходимой для достижения устойчивой генерации срабатывает обратная связь через термодатчик 12 и блок контроля температуры 13 включает вентиляторы 11 до тех пор, пока температура не достигнет прежнего уровня.The active element of a copper vapor laser with a set of radial inserts works as follows. When you turn on the switching power supply 14 to the electrodes 2 of the vacuum-tight housing 1 is supplied voltage. In the working channel 4, a discharge is formed. Over time, conditions are created in the heat chamber 9 under which the copper samples 7 inside the working channel 4 reach the required temperature and begin to melt and enter the discharge in the form of vapors, followed by the excitation of copper atoms and the generation of lasing. Moreover, by means of a more uniform radial distribution of plasma parameters and a decrease in the diffusion length, an increase in the generation characteristics of a metal vapor laser is ensured. When the temperature inside the heat chamber 9 is higher than necessary to achieve stable generation, feedback is triggered through the temperature sensor 12 and the temperature control unit 13 turns on the fans 11 until the temperature reaches the previous level.

Таким образом, предлагаемая конструкция активного элемента лазера на парах металлов позволяет повысить частотные и энергетические характеристики лазера на парах металлов. Наличие обратной связи позволяет поддерживать постоянную разность температур рабочего канала вакуумно-плотного корпуса и окружающей среды, обеспечивая оптимальную концентрацию паров рабочего металла в активной среде без использования внешних нагревателей, в отличие от известных газоразрядных трубок на парах металла. Это приводит к значительному увеличению срока службы активного элемента и повышению генерационных характеристик лазера.Thus, the proposed design of the active element of a metal vapor laser can improve the frequency and energy characteristics of a metal vapor laser. The presence of feedback allows us to maintain a constant temperature difference between the working channel of the vacuum-tight housing and the environment, providing an optimal concentration of working metal vapors in the active medium without the use of external heaters, in contrast to the known gas-discharge tubes on metal vapors. This leads to a significant increase in the service life of the active element and to increase the lasing characteristics of the laser.

Claims

1. The active element of the metal vapor laser, containing a vacuum-tight housing with exit windows at the ends, inside of which a beryllium ceramic tube is placed coaxially, which limits the working channel of the laser, with a holder placed inside, along the entire length of which the working metal evaporators are periodically located as well as two electrodes, characterized in that the holder is made in the form of a cylinder located coaxially with a vacuum-tight casing, with inner radial ribs having a height of 0.2-0.8 working radius about the channel and the total cross-sectional area of the ribs is not more than 50% of the cross-sectional area of the working channel, thermal insulation is placed between the vacuum-tight casing and the beryllium ceramic cylinder, while the electrodes are made in the form of cylindrical glasses attached to the vacuum-tight casing and filled with copper shavings, except Moreover, the vacuum-tight housing in the area of the working channel is externally covered by a heat chamber, in which at least one temperature sensor and one fan are placed, which are electrically connected to the temperature control unit.

2. The active element according to claim 1, characterized in that the holder is made of corundum ceramics.

3. The active element according to claim 1, characterized in that the holder is made of beryllium ceramic.

4. The active element of the metal vapor laser according to claim 1, characterized in that the thermal chamber is made with an internal longitudinal partition having openings for removing heat.

5. The active element according to claim 1, characterized in that the cylindrical holder is made of a set of washers arranged coaxially with a vacuum-tight housing.