Газовый моноблочный лазер

 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к технике газовых лазеров, и может быть использовано при конструировании датчиков лазерных гироскопов. Для повышения ресурса лазера в газовом моноблочном лазере, включающем источник питания и резонатор, содержащем корпус, зеркала, электроды, герметичные токоподводы для подключения источника питания к электродам, канал внутри корпуса резонатора для ввода газового разряда в рабочую зону катода и катод в виде металлической пленки с окисным слоем на поверхности, канал ввода газового разряда в рабочую зону катода имеет диэлектрическую шайбу с центральным отверстием, диаметр которого удовлетворяет определенному соотношению. Край рабочей зоны катодной пленки удален от внутренней поверхности диэлектрической шайбы на определенное расстояние. Герметичный токоподвод выполнен в виде алюминиевого кольца с выступом, которое вакуумно-плотно прикреплено к корпусу резонатора и вакуумно-плотно закрыто диском. 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к технике газовых лазеров, и может быть использовано при конструировании датчиков лазерных гироскопов.

В газовых лазерах с возбуждением разряда постоянным током используются цилиндрические металлические катоды с окисленной рабочей поверхностью. Известны газовые лазеры с катодами в виде металлической пленки, нанесенной на цилиндрическую поверхность внутри газового лазера [1]. Ресурс таких лазеров ограничен тем, что из-за краевых эффектов перегрева части окисной рабочей пленки катода, расположенной со стороны ввода газового разряда в рабочую зону катода, происходят разрушение катода и выход из строя лазера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является газовый лазер [2]. Катод выполнен в виде окисной пленки, нанесенной непосредственно на внутреннюю поверхность катодной полости. Недостатком такого лазера является малый ресурс (≈ 500 ч), который ограничивается изменением давления рабочей смеси из-за распыления материала катода. Распыление материала катода происходит вследствие неравномерного распределения плотности тока по его поверхности, максимум которой приходится на краевую область катода. В этой области распыление идет наиболее интенсивно.

Задачей настоящего изобретения является повышение ресурса лазера.

Предложен газовый моноблочный лазер, включающий источник питания и резонатор, содержащий корпус, зеркала, электроды, катод, герметичные токоподводы для подключения источника питания к электродам и канал внутри корпуса резонатора для ввода газового разряда в рабочую зону катода. В предложенном лазере катод выполнен в виде металлической пленки с окисным слоем на поверхности, нанесенной на всю цилиндрическую катодную полость в корпусе резонатора, канал для ввода газового разряда в рабочую зону катода имеет диэлектрическую шайбу с центральным отверстием. Диаметр центрального отверстия d в шайбе должен удовлетворять соотношению 0,2D ≅ d ≅ 0,33D, где D - диаметр катодной полости.

При этом край рабочей зоны катодной пленки удален от плоскости диэлектрической шайбы на расстояние L, определяемое соотношением 0,25D ≅ L ≅ 0,33D Напряжение к катоду от внешнего источника подается через герметичный токовод в виде алюминиевого кольца с внутренним диаметром 1,1D с выступом. Кольцо вакуумно-плотно прикреплено к корпусу резонатора и вакуумно-плотно закрыто диском.

Применение катода в виде пленки позволяет существенно уменьшить газоотделение в лазере, поскольку суммарная площадь катодной поверхности и поверхности катодной полости уменьшается в три раза; повысить устойчивость лазера к вибрационным и ударным воздействиям за счет исключения из конструкции лазера крепежных элементов катода.

Напыленный катод выполняется в виде металлической пленки с окисным слоем, нанесенной на цилиндрическую поверхность катодной полости в корпусе резонатора. Для равномерного распределения тока на поверхности катода канал для ввода газового разряда ограничивается диэлектрической шайбой с центральным отверстием, диаметр d которого удовлетворяет соотношению 0,2D ≅ d ≅ 0,33D, где d - диаметр отверстия в диэлектрической шайбе; D - диаметр внутренней поверхности катодной полости.

Соотношение геометрических размеров было получено экспериментально: при соотношении d < 0,2D возможно погасание газового разряда; соотношение d > 0,33D практически соответствует обычному решению - прямому переходу ввода газового разряда в рабочую зону катода, характеризуемому неравномерным распределением плотности тока по поверхности катода.

Край рабочей зоны катодной пленки удален от плоскости диэлектрической шайбы на расстояние L, определяемое соотношением
0,25D ≅ L ≅ 0,33D
Соотношение геометрических размеров было получено экспериментально.

Токоподвод к катоду в таком лазере выполнен в виде алюминиевого кольца с выступом, которое с помощью диффузионной сварки вместе с диэлектрическим диском вакуумно-плотно прикреплено к корпусу резонатора.

На фиг. 1 представлено устройство моноблочного газового лазера.

На фиг. 2 показаны качественные распределения плотности тока на поверхности катода: 2а - в случае известной конструкции, 2б - при наличии шайбы с центральным отверстием, расположенной у входа в рабочую зону катода, 2в - в случае, когда шайба конструктивно выполнена в корпусе резонатора.

На корпусе резонатора 1 (фиг. 1) методом оптического контакта закреплены зеркала 2. В корпусе резонатора имеется цилиндрическая полость, на поверхность которой нанесена металлическая катодная пленка 3. На поверхность металлической пленки нанесен слой окисла. Напряжение от источника питания подводится к катоду через алюминиевое кольцо 4 с выступом. Для герметизации токоподвода использован диск 5. Корпус 1, кольцо 4 и диск 5 вакуумно-плотно соединены между собой методом диффузионной сварки. Канал для ввода разряда от газоразрядных промежутков в рабочую зону катода заканчивается шайбой 6 с центральным отверстием с диаметром d. Край рабочей зоны катодной пленки расположен на расстоянии L от плоскости шайбы. Газовый разряд в лазере распространяется от катода через активные промежутки к двум анодам 7. Для создания благоприятных условий зажигания разряда при включении лазера в нем предусмотрены электроды поджига 8.

Как видно из фиг. 2а, в известной конструкции плотность тока на поверхности катода у входа в катодную полость больше, чем на остальной поверхности катода. При наличии шайбы с центральным отверстием у входа в катодную полость плотность тока по поверхности катода выравнивается по всей поверхности катода. Это приводит к увеличению ресурса катода и повышению ресурса газового моноблочного лазера.

Моноблочный газовый лазер работает следующим образом: напряжение от двухканального источника питания лазера подается между токоподводом к катоду 4 и двумя токоподводами к анодам 7. Одновременно подается напряжение поджига на электроды поджига 8. При этом тлеющий разряд проходит путь от холодного катода 3, через шайбу 6 и промежуток между оптическими элементами (зеркалами) 2 до анодов 7. При выполнении условия превышения усиления света в резонаторе над потерями в лазере возникает генерация двух встречных волн, несущих информацию о параметрах вращения резонатора в инерциальном пространстве.

Применение напыленного металлического катода с окисной пленкой при оптимизированном вводе газового разряда позволяет
- повысить ресурс газового лазера на порядок за счет увеличения рабочей поверхности катода, уменьшения его общей поверхности, изъятия из конструкции элементов крепления катода в корпусе резонатора (например, пружины, необходимой для его закрепления);
- повысить эксплуатационные характеристики лазера - удароустойчивость, виброустойчивость - за счет исключения из его конструкции металлического катода и элементов его закрепления.

Испытания экспериментальных образцов кольцевых лазеров, выполненных с применением предлагаемых технических решений, показали, что их ресурс не менее чем на порядок превышает ресурс их аналогов со встроенными металлическими катодами.

Литература
1. Applied. Optics, 1977, 16, N 8, 2308.

2. А. с. SU N 421308, H 01 S 3/00, 2 с., 1983 - прототип.

Формула изобретения

Газовый моноблочный лазер, включающий источник питания и резонатор, содержащий корпус, зеркала, электроды, герметичные токоподводы для подключения источника питания к электродам, канал внутри корпуса резонатора для ввода газового разряда в рабочую зону катода и катод в виде металлической пленки с окисным слоем на поверхности, нанесенной на цилиндрическую катодную полость в корпусе резонатора, отличающийся тем, что канал ввода газового разряда в рабочую зону катода имеет диэлектрическую шайбу с центральным отверстием, диаметр d которого удовлетворяет соотношению
0,2D ≅ d ≅ 0,33D,
где D - диаметр катодной полости,
край рабочей зоны катодной пленки удален от плоскости диэлектрической шайбы на расстояние L, определяемое соотношением
0,25D ≅ L ≅ 0,33D,
герметичный токоподвод выполнен в виде алюминиевого кольца с внутренним диаметром 1,1D и выступом, которое вакуумно-плотно прикреплено к корпусу резонатора и вакуумно-плотно закрыто диском.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2