RU82069U1

RU82069U1 - GAS LASER

Info

Publication number: RU82069U1
Application number: RU2008144341/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Петрович Базилев; Тамара Григорьевна Митрохина; Наталья Вячеславовна Першина
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2009-04-10

Abstract

Газовый лазер, содержащий электроды, разрядный и обводной каналы и зеркала, отличающийся тем, что лазер имеет коаксиальный активный элемент с внутренними зеркалами, расположенными в деформируемых втулках и наполнен Не-Хе смесью, а разрядный канал со стороны анода соединен с оболочкой активного элемента через воронку, с которой соединены, по крайней мере, два обводных канала, закрепленных на разрядном канале, расположенном вместе с обводными каналами в полости катода, при этом диаметр каждого обводного канала d выбран из соотношения 0,6D≤d≤0,7D, где D - диаметр разрядного канала, а зеркала обеспечивают генерацию излучения в инфракрасном диапазоне оптического спектра.A gas laser containing electrodes, discharge and bypass channels and mirrors, characterized in that the laser has a coaxial active element with internal mirrors located in deformable bushings and is filled with an He-Xe mixture, and the discharge channel from the anode side is connected to the shell of the active element through a funnel with which at least two bypass channels are connected, mounted on a discharge channel located together with the bypass channels in the cathode cavity, wherein the diameter of each bypass channel d is selected from a ratio of 0.6D≤d≤ 0,7D, where D is the diameter of the discharge channel, and the mirrors provide the generation of radiation in the infrared range of the optical spectrum.

Description

Полезная модель относится к квантовой электронике и может быть использована для создания компактного, механически прочного, надежного, с высокими эксплутационными характеристиками Не-Хе лазера для применения в качестве источника инфракрасного диапазона излучения в газоанализаторах, волоконной оптике, астрофизике, а также в инфракрасной технике при юстировке сложных оптических систем ночного видения.The utility model relates to quantum electronics and can be used to create a compact, mechanically strong, reliable, high-performance He-Xe laser for use as a source of infrared radiation in gas analyzers, fiber optics, astrophysics, as well as in infrared alignment technology complex optical systems for night vision.

Известен ионный газовый лазер, содержащий разрядный канал, где происходит газовый разряд и, для выравнивания давления рабочего газа, линию возврата газа, образованную одним или несколькими обходными каналами. При этом длина и поперечное сечение каждого обходного канала превышает длину и поперечное сечение разрядного канала, а радиус разрядного канала не превышает 0,5 мм (см. заявка Германии №3932884, кл. H01S 3/03, опубл. 11.04.1991 г.)Known ion gas laser containing a discharge channel, where there is a gas discharge and, to equalize the pressure of the working gas, a gas return line formed by one or more bypass channels. The length and cross section of each bypass channel exceeds the length and cross section of the discharge channel, and the radius of the discharge channel does not exceed 0.5 mm (see German application No. 3932884, class H01S 3/03, publ. 11.04.1991)

Недостатком данного лазера является размер обходного канала, превышающего длину рабочего разрядного канала, что требует исполнения этого обходного канала в складном варианте. Это усложняет конструкцию лазера, делает ее механически непрочной и ненадежной. Кроме того, имеется ограничение по внутреннему диаметру рабочего разрядного канала - не более 0,5 мм, что сужает диапазон использования этого технического решения.The disadvantage of this laser is the size of the bypass channel, exceeding the length of the working discharge channel, which requires the execution of this bypass channel in a folding version. This complicates the design of the laser, making it mechanically unstable and unreliable. In addition, there is a limitation on the internal diameter of the working discharge channel - not more than 0.5 mm, which narrows the range of use of this technical solution.

Известен ионный газовый лазер с горячим катодом, в котором для выравнивания давления в разрядном канале используется обводная трубка с электростатическим полем. Электростатическое поле создается экраном или сеткой, установленными внутри обводной трубки, с подведенным к ним потенциалом одного из электродов, например катода. Это препятствует электрическому пробою по обводной трубке и в тоже время обеспечивает выравнивание давления в газовом разрядном канале (см. патент США 3466567, кл. 331-94.5, опубл. 09.09.1969 г.)Known ion gas laser with a hot cathode, in which to equalize the pressure in the discharge channel, a bypass tube with an electrostatic field is used. An electrostatic field is created by a screen or a grid installed inside the bypass tube, with the potential of one of the electrodes connected to them, for example, a cathode. This prevents electrical breakdown along the bypass tube and at the same time provides pressure equalization in the gas discharge channel (see US patent 3466567, CL 331-94.5, publ. 09/09/1969)

Недостатком такого лазера является необходимость подвода на экран или сетку потенциала одного из электродов, что значительно усложняет конструкцию лазера, делает ее менее надежной в эксплуатации. Наличие экрана или сетки в обводной трубке не позволяют сделать ее компактной и, следовательно, увеличивают габаритные размеры The disadvantage of this laser is the need to supply the potential of one of the electrodes to the screen or grid, which greatly complicates the design of the laser, making it less reliable in operation. The presence of a screen or mesh in the bypass tube does not allow to make it compact and, therefore, increase the overall dimensions

лазера. Кроме того, данное техническое решение не обеспечивает коаксиальной конструкции лазера.laser. In addition, this technical solution does not provide a coaxial laser design.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является ионный лазер содержащий электроды, разрядный и обводной каналы и зеркала, причем обводной канал имеет форму спирали. Использование обводного канала обеспечивает выравнивание давления в разрядном канале, а его спиральная форма позволяет увеличить его длину по сравнению с разрядным каналом. Это увеличивает электрическое сопротивление обводного канала и снижает вероятность его электрического пробоя, (см. патент США №3582821 кл. 331-94.5, опубл. 01.06.1971 г. - прототип)The closest device of the same purpose to the claimed object in terms of features is an ion laser containing electrodes, discharge and bypass channels and mirrors, and the bypass channel has a spiral shape. The use of a bypass channel provides equalization of pressure in the discharge channel, and its spiral shape allows you to increase its length compared to the discharge channel. This increases the electrical resistance of the bypass channel and reduces the likelihood of electrical breakdown, (see US patent No. 3582821 class 331-94.5, publ. 06/01/1971 - prototype)

Недостатком такого лазера является спиральное исполнение обводного канала, что усложняет конструкцию и увеличивает трудоемкость лазера, делает его ненадежным в эксплуатации.The disadvantage of this laser is the spiral design of the bypass channel, which complicates the design and increases the complexity of the laser, making it unreliable in operation.

Задача полезной модели - создание надежного в эксплуатации, компактного, механически устойчивого, стабильного по мощности излучения атомарного Не-Хе лазера с заданным спектром излучения.The objective of the utility model is to create a reliable, compact, mechanically stable, radiation-stable atomic He-Xe laser with a given emission spectrum.

Технический результат достигается за счет конструктивного выполнения обводного канала и выбора соотношения диаметров обводного и разрядного каналов, обеспечивающих эффективное выравнивание давления газа в рабочем объеме активного элемента. Выбор газового наполнения Не-Хе лазера и использование зеркал с соответствующими оптическими характеристиками позволяют получить излучение в инфракрасном диапазоне. А выполнение Не-Хе лазера в виде коаксиальной конструкции обеспечивает его надежность, компактность, механическую устойчивость.The technical result is achieved due to the constructive implementation of the bypass channel and the choice of the ratio of the diameters of the bypass and discharge channels, ensuring effective equalization of gas pressure in the working volume of the active element. The choice of gas filling of the He-Xe laser and the use of mirrors with the corresponding optical characteristics make it possible to obtain radiation in the infrared range. And the implementation of the He-Xe laser in the form of a coaxial design ensures its reliability, compactness, and mechanical stability.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что газовый лазер, содержащий электроды, разрядный и обводной каналы и зеркала, лазер имеет коаксиальную конструкцию в виде коаксиального активного элемента с внутренними зеркалами, расположенными в деформируемых втулках и наполнен Не-Хе смесью, а разрядный канал со стороны анода соединен с оболочкой активного элемента через воронку, с которой соединены, по крайней мере, два обводных канала, закрепленных на разрядном канале, входящим вместе с обводными каналами в полость катода, при этом диаметр обводного канала d выбран из соотношения 0,6 D≤d≤0,7 D, где D диаметр разрядного канала, а оптические характеристики зеркал обеспечивают генерацию в инфракрасном диапазоне спектра излучения на длине волны 3,5 мкм.The specified technical result in the implementation of the utility model is achieved in that the gas laser containing electrodes, discharge and bypass channels and mirrors, the laser has a coaxial design in the form of a coaxial active element with internal mirrors located in deformable bushings and filled with an He-Xe mixture, and a discharge the channel on the anode side is connected to the shell of the active element through a funnel, with which at least two bypass channels are attached, fixed to the discharge channel, which is included with the bypass to by analogs to the cathode cavity, wherein the diameter of the bypass channel d is selected from the relation 0.6 D≤d≤0.7 D, where D is the diameter of the discharge channel, and the optical characteristics of the mirrors provide generation in the infrared range of the radiation spectrum at a wavelength of 3.5 μm .

Не-Хе лазер имеет коаксиальную конструкцию с внутренними зеркалами, закрепленными на деформируемых втулках, что позволяет проводить более точную и устойчивую юстировку, добиваясь максимальной мощности и стабильности излучения, а коаксиальность конструкции делает лазер более механически прочным, надежным и долговечным при эксплуатации. Обводной канал, соединяющий прианодное и прикатодное пространства выполнен в виде двух и более линейных трубок (каналов), Каждая трубка обводного канала выполнена с внутренним диаметром и длиной меньше внутреннего диаметра и длины разрядного канала и закреплена на разрядном канале. Линейная конструкция обводного канала проста в изготовлении, обеспечивает эффективное выравнивание давления в разрядном канале и, следовательно, препятствует колебанию и снижению мощности в процессе работы. Выбранный внутренний диаметр обводного канала обеспечивает высокое пробойное напряжение, что препятствует возникновению разряда в обводном канале. Использование Не-Хе наполнения и зеркал с соответствующими оптическими характеристиками, обеспечивает работу лазера в инфракрасном диапазоне излучения.The non-Xe laser has a coaxial design with internal mirrors mounted on deformable bushings, which allows for more accurate and stable alignment, achieving maximum radiation power and stability, and the coaxial design makes the laser more mechanically strong, reliable and durable during operation. The bypass channel connecting the anode and cathode spaces is made in the form of two or more linear tubes (channels). Each bypass channel tube is made with an inner diameter and a length less than the inner diameter and length of the discharge channel and is mounted on the discharge channel. The linear design of the bypass channel is simple to manufacture, provides effective pressure equalization in the discharge channel and, therefore, prevents oscillation and lower power during operation. The selected inner diameter of the bypass channel provides a high breakdown voltage, which prevents the occurrence of a discharge in the bypass channel. The use of He-Xe filling and mirrors with the corresponding optical characteristics ensures the operation of the laser in the infrared range of radiation.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed utility model, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed utility model, and the definition of the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the totality of the characteristics of the analogue, allowed to identify the set of essential in relation to Vai applicant technical result distinguishing features in the claimed subject matter.

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 представлен общий вид Не-Хе лазера в сечении.Figure 1 presents a General view of the He-Xe laser in cross section.

На Фиг.2 представлен Не-Хе лазер в поперечном разрезе.Figure 2 presents a He-Xe laser in cross section.

Не-Хе лазер содержит коаксиальный активный элемент со стеклянной оболочкой 1, на торцах которой медным припоем герметично закреплены две металлические деформируемые втулки 2, 3. Во втулке 2 методом твердой пайки стеклоприпоем на основе стеклокристаллического цемента установлено «глухое» (высокоотражающее) зеркало 4. Кроме того, втулка 2 выполняет функцию анодного электрода. Во втулке 3 так же методом твердой пайки установлено «выходное» (полупрозрачное) зеркало 5. Часть втулки 3 находится внутри активного элемента и служит для подвижного крепления разрядного канала 6 (разрядного капилляра) с катодной стороны. Со стороны анода 2 A non-Xe laser contains a coaxial active element with a glass sheath 1, on the ends of which two metal deformable sleeves 2, 3 are sealed with copper solder. A “deaf” (highly reflective) mirror 4 is installed in the sleeve 2 by the method of hard soldering of glass solder based on glass-crystalline cement. Moreover, the sleeve 2 performs the function of the anode electrode. An “output” (translucent) mirror 5 is also installed in the sleeve 3 by the method of soldering. Part of the sleeve 3 is located inside the active element and serves for movably fastening the discharge channel 6 (discharge capillary) from the cathode side. From the anode 2

разрядный канал 6 жестко соединен с оболочкой 1 лазера через воронку 7, с которой соединены, по крайней мере, два обводных канала 8. Обводные каналы 8 по всей длине примыкают к разрядному каналу 6 и скреплены с ним бандажными креплениями 9. Свободные концы обводных каналов 8 и противоположный аноду 2 конец разрядного канала 6 расположены в полости катода 10, выполненного из сплава алюминия. При этом обводные каналы 8 входят в полость катода на глубину не более 1/3 от длины катода. Активный элемент лазера наполнен газовой смесью гелия и ксенона в соотношении 30:1-50:1 при общем давлении P=(14÷16)/D, где D-диаметр разрядного канала 6 (разрядного капилляра). Диаметр каждого обводного канала d выбран из соотношения 0,6 D≤d≤0,7 D.the discharge channel 6 is rigidly connected to the laser shell 1 through a funnel 7, with which at least two bypass channels are connected 8. The bypass channels 8 are adjacent to the discharge channel 6 along the entire length and are fastened with bandage fasteners 9. The free ends of the bypass channels 8 and the end of the discharge channel 6 opposite the anode 2 is located in the cavity of the cathode 10 made of an aluminum alloy. In this case, the bypass channels 8 enter the cathode cavity to a depth of not more than 1/3 of the cathode length. The active element of the laser is filled with a gas mixture of helium and xenon in a ratio of 30: 1-50: 1 at a total pressure P = (14 ÷ 16) / D, where D is the diameter of the discharge channel 6 (discharge capillary). The diameter of each bypass channel d is selected from a ratio of 0.6 D≤d≤0.7 D.

Не-Хе лазер работает следующим образом:The non-he laser works as follows:

При подаче высокого напряжения на электроды 2, 10 в разрядном канале 6 возникает тлеющий газовый разряд, так как его пробойное напряжение ниже, чем в обводных каналах 8. В активном элементе начинается генерация излучения на длине волны 3,5 мкм. Ксенон является тяжелым газом, поэтому в процессе работы его возвращение по разрядному каналу 6 затруднено. Это могло бы привести к накоплению ксенона в прикатодной полости 11 и снижению мощности излучения, но благодаря обводным каналам 8 этого не происходит. Ксенон возвращается по ним в прианодную область 12.When a high voltage is applied to the electrodes 2, 10, a glowing gas discharge occurs in the discharge channel 6, since its breakdown voltage is lower than in the bypass channels 8. In the active element, generation of radiation at a wavelength of 3.5 μm begins. Xenon is a heavy gas, so in the process of its return to the discharge channel 6 is difficult. This could lead to the accumulation of xenon in the cathode cavity 11 and a decrease in the radiation power, but this does not happen due to the bypass channels 8. Xenon returns to them in the anode region 12.

Диаметр каждого обводного канала d выбран из соотношения 0,6 D≤d≤0,7 D, что обусловлено эффективным выравниванием давления газа в рабочем объеме и невозможностью пробоя газа по обводным каналам.The diameter of each bypass channel d is selected from a ratio of 0.6 D≤d≤0.7 D, which is due to the effective equalization of gas pressure in the working volume and the impossibility of gas breakdown through the bypass channels.

При диаметре d обводного канала менее 0,6D не будет достаточно эффективного возврата Хе в прианодную область, а при диаметре обводного канала d более 0,7D возможен пробой газа по обводным каналам.With a diameter d of the bypass channel less than 0.6 D, there will not be enough effective return of Xe to the anode region, and with a diameter of the bypass channel d of more than 0.7 D, a breakdown of gas through the bypass channels is possible.

Использование металлических с пластично-деформируемым участком втулок 2, 3 для крепления зеркал 4, 5 позволяет с высокой точностью юстировать зеркала и получать максимальную и стабильную выходную мощность излучения.The use of metal with a plastic-deformable section of the bushings 2, 3 for mounting mirrors 4, 5 allows you to align the mirrors with high accuracy and obtain maximum and stable output radiation power.

Приводим пример, доказывающий возможность практической реализации предлагаемой полезной модели в Не-Хе лазере типа ГНИК-3-К.We give an example proving the feasibility of practical implementation of the proposed utility model in a He-Xe laser of the GNIK-3-K type.

В лазере ГНИК-3К используется металло-стеклянный коаксиальный активный элемент с холодным катодом из сплава алюминия АД-1. Длина активного элемента лазера 900 мм. Диаметр разрядного канала В=3,0 мм. Активный элемент имеет два обводных канала диаметром 1,9 мм, которые входят в катод на 1/3 его длины. Рабочий объем активного элемента наполнен смесью Не-Хе в соотношении 30:1 при общем давлении 5,5 мм рт.ст. В качестве «глухого» - высокоотражающего зеркала используется зеркало с медным напылением. «Выходное»-полупрозрачное зеркало изготовлено методом электроннолучевого The GNIK-3K laser uses a metal-glass coaxial active element with a cold cathode made of aluminum alloy AD-1. The length of the active element of the laser is 900 mm. The diameter of the discharge channel B = 3.0 mm. The active element has two bypass channels with a diameter of 1.9 mm, which enter the cathode at 1/3 of its length. The working volume of the active element is filled with a He-Xe mixture in a ratio of 30: 1 at a total pressure of 5.5 mm Hg. As a “deaf” - highly reflective mirror, a copper-coated mirror is used. The “output” translucent mirror is made by the electron beam method

распыления чередующихся четвертьволновых слоев из двуокиси гафния и двуокиси кремния и имеет пропускание на рабочей длине волны 3,5 мкм-70%. Зеркала установлены в пластично-деформируемых втулках. При разрядном рабочем токе 10 мА лазер имеет мощность излучения 15 мВт.spraying alternating quarter-wave layers of hafnium dioxide and silicon dioxide and has a transmission at a working wavelength of 3.5 μm-70%. Mirrors are mounted in plastic deformable bushings. At a discharge operating current of 10 mA, the laser has a radiation power of 15 mW.

Предлагаемый лазер используются в качестве источника монохроматического излучения в различных областях науки и техники (в инфракрасной волоконной оптике, устройствах для юстировки сложных оптических систем в инфракрасном диапазоне, газоанализаторах и др.)The proposed laser is used as a source of monochromatic radiation in various fields of science and technology (in infrared fiber optics, devices for aligning complex optical systems in the infrared range, gas analyzers, etc.)

Приведенный пример показывают, что заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.The above example shows that the claimed utility model meets the requirement of "industrial applicability" under applicable law.

Claims

A gas laser containing electrodes, discharge and bypass channels and mirrors, characterized in that the laser has a coaxial active element with internal mirrors located in deformable bushings and is filled with an He-Xe mixture, and the discharge channel from the anode side is connected to the shell of the active element through a funnel with which at least two bypass channels are connected, mounted on a discharge channel located together with the bypass channels in the cathode cavity, the diameter of each bypass channel d being selected from a ratio of 0.6D≤d≤ 0,7D, where D is the diameter of the discharge channel, and the mirrors provide the generation of radiation in the infrared range of the optical spectrum.