RU61469U1

RU61469U1 - HF GAS LASER

Info

Publication number: RU61469U1
Application number: RU2006137440/22U
Authority: RU
Inventors: Алексей Антонович Сипайло; Александр Яковлевич Паюров; Валерий Владимирович Кюн
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2007-02-27

Abstract

Полезная модель относится к квантовой электронике и может быть использована при производстве СО₂ лазеров, работающих в жестких механо-климатических условиях. Лазер содержит расположенные в корпусе электроды 4, 5, 6, по крайней мере, один из которых 4 соединен через ВЧ ввод 17, с ВЧ генератором 20. ВЧ ввод 17 выполнен из медного плоского проводника на концах которого закреплены медно-германиевым припоем металлический цилиндр 15 со штырем 16 и болт с резьбой 18. Металлический цилиндр 15 закреплен в металлическом фланце 14 лазерной сваркой. Металлический фланец 14 расположен в отверстии диэлектрической шайбы 13, установленной в цилиндрической втулке с бортиком 12, которые герметично спаяны между собой медным припоем и закреплены микроплазменной сваркой в полости цилиндрического держателя 11, расположенного с внешней стороны корпуса лазера 1. Такое конструктивное выполнение лазера с применением высокотемпературных паек, лазерной и микроплазменной сварок, позволило создать надежный металлокерамический ввод, обеспечивающий эксплуатацию лазера в жестких механо-климатических условиях.The utility model relates to quantum electronics and can be used in the production of CO ₂ lasers operating in severe mechanical and climatic conditions. The laser contains electrodes 4, 5, 6 located in the housing, at least one of which 4 is connected through an RF input 17, to an RF generator 20. The RF input 17 is made of a flat copper conductor at the ends of which a metal cylinder 15 is fixed with copper-germanium solder with a pin 16 and a threaded bolt 18. The metal cylinder 15 is fixed in the metal flange 14 by laser welding. The metal flange 14 is located in the hole of the dielectric washer 13 mounted in a cylindrical sleeve with a flange 12, which are hermetically soldered to each other by copper solder and secured by microplasma welding in the cavity of the cylindrical holder 11 located on the outside of the laser housing 1. Such a design of the laser using high-temperature soldering, laser and microplasma welding, allowed to create a reliable metal-ceramic input, ensuring the operation of the laser in hard mechanical and climatic conditions.

Description

Полезная модель относится к квантовой электронике и может быть использована при производстве СО₂ лазеров работающих в жестких механо - климатических условиях.The utility model relates to quantum electronics and can be used in the production of CO ₂ lasers operating in severe mechanical and climatic conditions.

Известна конструкция волноводного газового лазера с ВЧ возбуждением, содержащая разрядный канал, образованный электродами и зеркалами, установленными на торцах канала. Изолированный ВЧ электрод имеет в центре стержень с резьбой. С помощью стержня изолированный электрод гайкой притянут к керамической пластине, которая служит верхней крышкой лазера. Керамическая пластина герметично спаяна с металлическим корпусом лазера, имеющего вид протяженной коробки. ВЧ энергия от генератора подводится к стержню ВЧ электрода. (См. пат. США №4481634, кл. 372/87, опубл. 1984 г.)A known design of a waveguide gas laser with RF excitation, containing a discharge channel formed by electrodes and mirrors mounted on the ends of the channel. The insulated HF electrode has a threaded rod in the center. Using a rod, the insulated electrode is pulled with a nut to the ceramic plate, which serves as the top cover of the laser. The ceramic plate is hermetically soldered to the metal case of the laser, which has the form of an extended box. The RF energy from the generator is supplied to the core of the RF electrode. (See US Pat. No. 4,441,634, cl. 372/87, publ. 1984)

Недостатком известной конструкции является низкая надежность лазера при воздействии жестких механо- климатических факторов. Это объясняется следующим. На керамическую пластину несущую изолированный электрод передается тепловая энергия, выделяемая газовым разрядом, т.е. она набирает температуру, при этом температура корпуса - коробки более низкая, т.к. она охлаждается более эффективно. А при воздействии климатических факторов +50°÷-50° разница в температурах пластины и коробки еще более возрастает. В связи с тем, что у керамической пластины и металлической коробки разные коэффициенты линейного расширения, то протяженный по длине паянный герметичный шов будет испытывать большое напряжение. В результате чего произойдет треск керамики и разгерметизация паяных деталей. Кроме того, при механических воздействиях, например, удары, вибрация и т.д., висящий на одном стержне массивный (изолированный) ВЧ электрод будет испытывать инерционные нагрузки, которые приведут к смещению электрода вокруг оси стержня, что отрицательно скажется на работоспособность лазера.A disadvantage of the known design is the low reliability of the laser when exposed to harsh mechanical and climatic factors. This is explained by the following. Thermal energy released by a gas discharge is transferred to a ceramic plate supporting an insulated electrode. it gains temperature, while the temperature of the case - the box is lower, because it cools more efficiently. And when exposed to climatic factors + 50 ° ÷ -50 °, the difference in temperature of the plate and box even more increases. Due to the fact that the ceramic plate and the metal box have different coefficients of linear expansion, then a soldered seam sealed along the length will experience a lot of stress. As a result, cracking of ceramics and depressurization of soldered parts will occur. In addition, under mechanical influences, for example, shocks, vibration, etc., a massive (insulated) RF electrode hanging on one rod will experience inertial loads, which will lead to the displacement of the electrode around the axis of the rod, which will negatively affect the performance of the laser.

Известна конструкция волноводного газового лазера с ВЧ возбуждением, содержащая разрядный канал, образованный ВЧ электродами и зеркалами, установленными на торцах канала. ВЧ энергия подводится к изолированному ВЧ электроду через ВЧ ввод, функцию которого выполняет коаксиальный ВЧ кабель. Экран ВЧ кабеля впаян в A known design of a waveguide gas laser with RF excitation, containing a discharge channel formed by RF electrodes and mirrors mounted on the ends of the channel. The RF energy is supplied to the isolated RF electrode through the RF input, the function of which is performed by the coaxial RF cable. The shield of the RF cable is soldered into

отверстие корпуса лазера, а внутренний проводник (центральная жила) соединен с изолированным ВЧ электродом. (См. пат. США №4710941, кл. 372/87, опубл. 1987 г.)the laser housing hole, and the inner conductor (central core) is connected to an insulated high-frequency electrode. (See US patent No. 4710941, CL 372/87, publ. 1987)

Недостатком известной конструкции является низкая надежность при механо-климатических условиях, связанная с тем, что:A disadvantage of the known design is the low reliability under mechanical and climatic conditions, due to the fact that:

- экран ВЧ кабеля должен быть в виде протяженной металлической (медной) трубки, что необходимо для его герметичной пайки в отверстии корпуса лазера. ВЧ кабели с экраном в виде металлической трубки имеют маленький радиус изгиба, а это увеличивает поперечные размеры лазера, и снижает его устойчивость к механическим воздействиям;- the shield of the RF cable should be in the form of an extended metal (copper) tube, which is necessary for its tight soldering in the hole of the laser housing. HF cables with a screen in the form of a metal tube have a small bending radius, and this increases the transverse dimensions of the laser and reduces its resistance to mechanical stress;

- изоляционный материал ВЧ кабеля (обычно полиэтилен, фторопласт) не является надежным вакуумным уплотнением для проникновения атмосферы внутрь оболочки лазера. Особенно это скажется при низких отрицательных температурах, когда изоляционный материал «костенеет»;- the insulating material of the RF cable (usually polyethylene, fluoroplastic) is not a reliable vacuum seal for the penetration of the atmosphere into the laser envelope. This is especially true at low negative temperatures, when the insulating material "stiffens";

- кроме того, изоляционный материал ВЧ кабеля имеет высокое давление насыщенных паров, что отрицательно скажется на рабочей газовой смеси при длительной эксплуатации.- in addition, the insulating material of the HF cable has a high vapor pressure, which will adversely affect the working gas mixture during long-term operation.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является СО₂ лазер с ВЧ возбуждением содержащий разрядный канал (каналы), образованный ВЧ электродами и зеркалами, установленными на торцах канала. ВЧ энергия подается на изолированный электрод через ВЧ ввод, состоящий из специального болта с резьбой, который вкручивается в изолированный электрод и тефлонового уплотнителя, выполненного в виде небольшого колечка. (См. пат. США №5953360, кл. 372/87, опубл. 1999 г. - прототип)The closest in technical essence to the proposed utility model is a CO ₂ laser with RF excitation containing a discharge channel (s) formed by RF electrodes and mirrors mounted on the ends of the channel. RF energy is supplied to the insulated electrode through the RF input, which consists of a special screw with a thread that is screwed into the insulated electrode and a Teflon seal made in the form of a small ring. (See US Pat. No. 5953360, class 372/87, publ. 1999 - prototype)

Недостатком известной конструкции является низкая устойчивость при воздействии жестких механо-климатических факторов. Это связано с тем, что:A disadvantage of the known design is the low stability when exposed to severe mechanical and climatic factors. This is due to the fact that:

- при жестких механических воздействиях, висящий на ВЧ вводе изолированный электрод испытывает резонансные колебания, т.е. ВЧ болт будет вибрировать относительно отверстия оболочки лазера, что приведет к износу изолирующей прокладки и натеканию атмосферы в оболочку, при этом вероятен контакт ВЧ болта с оболочкой лазера;- under severe mechanical stresses, an insulated electrode hanging on the RF input experiences resonant vibrations, i.e. The high-frequency bolt will vibrate relative to the hole of the laser shell, which will lead to wear of the insulating gasket and leakage of the atmosphere into the shell, and the contact of the high-frequency bolt with the laser shell is likely;

- при работе лазера при минусовых температурах (например, при -50°С) изоляционная прокладка теряет свои упругие свойства и при включении лазера в первую очередь разогревается ВЧ электрод и связанный с ним болт, который при этом удлиняется и соответственно давление на «закостеневшую» прокладку уменьшается. В этот момент возможно натекание атмосферы в оболочку лазера.- when the laser is operating at sub-zero temperatures (for example, at -50 ° C), the insulating pad loses its elastic properties and when the laser is turned on, the HF electrode and the bolt associated with it are first heated, which at the same time lengthens and, accordingly, the pressure on the “stiffened” pad decreases. At this point, the atmosphere may leak into the laser envelope.

Задача полезной модели - создание волноводного СО₂ лазера с ВЧ возбуждением, устойчивого к жестким механо-климатическим воздействиям.The objective of the utility model is the creation of a waveguide CO ₂ laser with RF excitation, which is resistant to severe mechanical and climatic influences.

Технический результат может быть получен за счет предложенного конструктивного выполнения металлокерамического ВЧ ввода волноводного лазера с ВЧ возбуждением, изготовленного с применением жесткого закрепления элементов ВЧ ввода, а именно высокотемпературных паек, лазерной и микроплазменной сварок.The technical result can be obtained due to the proposed constructive implementation of a cermet RF input of a waveguide laser with RF excitation made using hard fixing of RF input elements, namely, high-temperature rations, laser and microplasma welding.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном газовом лазере с ВЧ возбуждением, содержащем расположенные в корпусе электроды, по крайней мере, один из которых соединен через ВЧ ввод, включающий болт с резьбой, с ВЧ генератором, ВЧ ввод выполнен из медного плоского проводника, на концах которого жестко закреплены металлический цилиндр со штырем для подключения к ВЧ генератору и болт с резьбой, при этом металлический цилиндр закреплен в металлическом фланце, расположенном в отверстии диэлектрической шайбы, которая установлена в цилиндрической втулке с бортиком, закрепленной в полости цилиндрического держателя, размещенного с внешней стороны корпуса лазера.The specified technical result in the implementation of the utility model is achieved by the fact that in a known gas laser with RF excitation containing electrodes located in the housing, at least one of which is connected through an RF input including a threaded bolt to an RF generator, the RF input is made of a copper flat conductor, at the ends of which a metal cylinder with a pin for connection to an RF generator and a threaded bolt are rigidly fixed, while the metal cylinder is fixed in a metal flange located in the hole The electrical washer which is mounted in a cylindrical sleeve with collar, fixed in a cavity of the cylindrical holder disposed on the outside of the laser housing.

Такое конструктивное выполнение позволило создать металлокерамический ВЧ ввод с надежным электрическим контактом с изолированным электродом, выдерживающим эксплуатацию лазера в жестких механо-климатических условиях.Such a constructive implementation made it possible to create a ceramic-metal RF input with reliable electrical contact with an insulated electrode that can withstand the operation of the laser in harsh mechanical and climatic conditions.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patents and scientific and technical sources of information, made it possible to establish that the applicant has not found an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype allowed us to identify a set of essential distinguishing features in relation to the applicant’s perceived technical result in the claimed object, set forth in the utility model formula.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.Therefore, the claimed utility model meets the requirement of "novelty" under current law.

На фиг.1 изображен волноводный СO₂ лазер с ВЧ возбуждением.Figure 1 shows a waveguide CO ₂ laser with RF excitation.

На фиг.2 показано сечение волноводного лазера.Figure 2 shows a cross section of a waveguide laser.

На фиг.3 представлен в изометрии ВЧ тракт, состоящий из плоского проводника, коварового болта и цилиндра со штырем.Figure 3 presents in isometric RF path, consisting of a flat conductor, an insidious bolt and a cylinder with a pin.

На фиг.4 показан I-этап сборки ВЧ ввода.Figure 4 shows the I-stage assembly of the RF input.

На фиг.5 представлена в изометрии оснастка для закручивания болта в изолированный ВЧ электрод.Figure 5 presents in isometric equipment for tightening a bolt into an insulated RF electrode.

На фиг.6 показан II-этап сборки ВЧ ввода.Figure 6 shows the II-stage assembly of the RF input.

На фиг.7 представлен металлокерамический диск состоящий из диэлектрической шайбы, цилиндрической втулки с бортиком и металлического фланца.Figure 7 presents a cermet disk consisting of a dielectric washer, a cylindrical sleeve with a flange and a metal flange.

На фиг.8 показан III-этап сборки ВЧ ввода.On Fig shows the III-phase assembly of the RF input.

Волноводный газовый лазер имеет корпус 1. в котором выполнены два разрядных канала 2, 3 (фиг.2), образованные изолированным (центральным) электродом 4 (фиг.2), двумя крайними заземленными электродами 5, 6 и двумя керамическими пластинами 7, 8. На торцах корпуса размещены оптические элементы 9, 10. С внешней стороны на корпусе лазера размещен полый цилиндрический держатель 11, (фиг.1, 2) в котором жестко закреплена цилиндрическая втулка с бортиком 12, керамическая шайба 13 и металлический фланец 14, размещенный в отверстии шайбы 13. Во фланце 14 закреплен коваровый цилиндр 15 со штырем 16. Коваровый цилиндр 15 жестко связан с одним концом медного проводника 17, на противоположном конце которого закреплен коваровый болт с резьбой 18, вкрученный в изолированный ВЧ электрод 4 с помощью оснастки 19 (фиг.5). Штырь 16 коварового цилиндра 15 соединен с ВЧ генератором 20 через согласующую индуктивность 21.The waveguide gas laser has a housing 1. in which there are two discharge channels 2, 3 (FIG. 2), formed by an insulated (central) electrode 4 (FIG. 2), two extreme grounded electrodes 5, 6, and two ceramic plates 7, 8. Optical elements 9, 10 are placed at the ends of the casing. On the outer side of the laser housing there is a hollow cylindrical holder 11, (Figs. 1, 2) in which a cylindrical sleeve with a bead 12, a ceramic washer 13, and a metal flange 14 are placed in the hole washers 13. In the flange 14 is fixed Cova Marketing cylinder 15 with a pin 16. Kovar cylinder 15 is rigidly connected to one end of the copper conductor 17 at the opposite end of which is fixed between a Kovar threaded bolt 18, screwed into an isolated RF electrode 4 via display 19 (Figure 5). The pin 16 of the insidious cylinder 15 is connected to the RF generator 20 through a matching inductance 21.

Устройство работает следующим образом: - предварительно изготавливается ВЧ тракт, который состоит из коварового болта с резьбой 18, плоского медного проводника 17 и коварового цилиндра 15 со штырем 16, спаянных между собой медно-германиевым припоем (фиг.3); - изготавливается металлокерамический диск (фиг.7), который состоит из диэлектрической шайбы 13, (материал - керамика 22ХС), металлического фланца 14 и цилиндрической втулки с бортиком 12, которые герметично спаяны между собой медным припоем (фиг.7); - корпус лазера спаивается с полым цилиндрическим держателем 11 медным припоем.The device operates as follows: - the RF path is prefabricated, which consists of an insidious bolt with a thread 18, a flat copper conductor 17 and an insidious cylinder 15 with a pin 16 soldered together by copper-germanium solder (Fig. 3); - a ceramic-metal disk is made (Fig. 7), which consists of a dielectric washer 13, (material - ceramics 22XC), a metal flange 14 and a cylindrical sleeve with a flange 12, which are hermetically soldered together by copper solder (Fig. 7); - the laser housing is soldered with a hollow cylindrical holder 11 with copper solder.

В корпусе лазера размещается разрядная структура 4, 5, 6, 7, 8 и через полый цилиндрический держатель 11 (фиг.4) с помощью оснастки 19 (фиг.5) в изолированный электрод 4 вкручивается ВЧ тракт (фиг.4). Линейные размеры «h» ВЧ тракта (фиг.3) больше, чем предназначенный для него установочный размер «d» (фиг.8) - h>d. Поэтому плоскую часть медного проводника 17 специально изгибают (фиг.6). В полый цилиндрический держатель 11 (фиг.6) вставляют металлокерамический диск 12, 13, 14 (фиг.7) и штырем 16 коварового цилиндра 15 регулируют положение цилиндра 15 так, чтобы он оказался на одном уровне с металлическим фланцем 14 (фиг.8). После этого осуществляют герметизацию ВЧ ввода:The discharge structure 4, 5, 6, 7, 8 is placed in the laser housing and through the hollow cylindrical holder 11 (Fig. 4), using the snap-in 19 (Fig. 5), the RF path is screwed into the insulated electrode 4 (Fig. 4). The linear dimensions "h" of the RF path (Fig. 3) is larger than the installation dimension "d" intended for it (Fig. 8) - h> d. Therefore, the flat part of the copper conductor 17 is specifically bent (Fig.6). A ceramic-metal disk 12, 13, 14 (Fig. 7) is inserted into the hollow cylindrical holder 11 (Fig. 6) and the position of the cylinder 15 is adjusted with the pin 16 of the insidious cylinder 15 so that it is flush with the metal flange 14 (Fig. 8) . After that, the RF input is sealed:

- шов «А» - лазерная сварка;- seam "A" - laser welding;

- шов «В» - микроплазменная сварка; (фиг.8)- seam "B" - microplasma welding; (Fig. 8)

Далее осуществляют установку зеркал 9, 10, их герметизацию и наполнение лазера рабочей смесью. Штырь 16 коварового цилиндра 15 соединяют с ВЧ генератором 20. Энергия от ВЧ генератора через ВЧ ввод подается на центральный электрод 4 и в разрядных каналах 2,3 возбуждается разряд.Next, they install mirrors 9, 10, seal them and fill the laser with a working mixture. The pin 16 of the insidious cylinder 15 is connected to the RF generator 20. Energy from the RF generator is supplied through the RF input to the central electrode 4 and a discharge is excited in the discharge channels 2,3.

Применение герметизирующей микроплазменной и лазерной сварки металлокерамического ВЧ ввода позволяет отказаться от применения уплотняющих резиновых (тефлоновых) прокладок и создать цельнопаянный металлокерамический лазер, надежно работающий в жестких механоклиматических воздействиях.The use of sealing microplasma and laser welding of ceramic-metal RF input allows us to abandon the use of sealing rubber (Teflon) gaskets and to create a fully brazed ceramic-metal laser that works reliably in severe mechanoclimatic influences.

Специальный изгиб плоского медного проводника ВЧ тракта связан с тем, что в процессе эксплуатации в режиме климатических воздействий +50÷-50°С обычный (не изгибаемый) ВЧ тракт при разогревании расширяется, при этом резьбовое соединение болт - изолированный электрод расшатывается, особенно если электрод выполнен из Аl сплава. Это приводит к выходу из строя лазера. Использование изгиба в плоском медном проводнике позволяет компенсировать многократное расширение и уменьшение размеров ВЧ тракта, оставляя это соединение надежным в любых условиях эксплуатации лазера. Кроме того, это позволяет развязать линейное удлинение разрядной структуры относительно охлаждаемого корпуса, не нагружая при этом резьбовое соединение ВЧ болт - электрод.The special bending of the flat copper conductor of the HF tract is due to the fact that during operation in climatic conditions + 50 ÷ -50 ° С the normal (non-bending) HF tract expands when heated, while the threaded bolt-insulated electrode connection is loosened, especially if the electrode made of Al alloy. This leads to laser failure. The use of bending in a flat copper conductor makes it possible to compensate for the multiple expansion and reduction of the RF path size, leaving this connection reliable in all laser operating conditions. In addition, this allows you to untie the linear extension of the discharge structure relative to the cooled case, without loading the threaded connection of the RF bolt - electrode.

Предлагаемая полезная модель волноводного лазера с ВЧ возбуждением использована в серийно выпускаемых лазерах: LCD-1A, LCD-10A, LCD-10WG, LCD-15W, LCD-10WG-2T, LCD-20A, LCD-30W, LCD-50W, ЛГН-802.The proposed utility model of a waveguide laser with RF excitation is used in commercially available lasers: LCD-1A, LCD-10A, LCD-10WG, LCD-15W, LCD-10WG-2T, LCD-20A, LCD-30W, LCD-50W, LGN- 802.

Приведенные примеры показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость по действующему законодательству».The above examples show that the claimed invention meets the requirement of "industrial applicability under applicable law."

Claims

A gas laser with RF excitation, comprising electrodes located in the housing, at least one of which is connected through an RF input, including a threaded bolt, to an RF generator, characterized in that the RF input is made of a copper flat conductor, at the ends of which are rigidly fixed a metal cylinder with a pin and a threaded bolt, while the metal cylinder is fixed in a metal flange located in the hole of the dielectric washer, which is installed in a cylindrical sleeve with a side fixed in the cavity of the cylinder one holder, located on the outside of the laser housing.