Газовый лазер на парах химических элементов

 

(57) ТЕКСТ РЕФЕРАТА ОТСУТСТВУЕТ

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при конструировании газовых лазеров на парах химических элементов. Указанные лазеры широко используются в оптике, связи, медицине, биологии и других областях науки и техники. Известны газовые лазеры на парах химических элементов, активная среда которых представляет собой смесь буферного газа и паров рабочего вещества (какого-либо химического элемента металла, либо металлоида), причем рабочее вещество обладает более низким, чем буферный газ (обычно гелий), потенциалом конизации. Возбуждение активной среды таких лазеров осуществляется в разрядной трубке при электрическом разряде между анодом и катодом, которые соединены с источником питания. Рабочее вещество находится внутри разрядной трубки в специальном резервуаре-испарителе, либо на внутренней поверхности диэлектрической оболочки трубки, и давление паров в зоне разряда определяется температурой испарителя, либо оболочки трубки. Наиболее близким по технической сущности к предложенному является газовый лазер на парах химических элементов, содержащий активный элемент, источник питания и регулятор давления паров рабочего вещества. Активный элемент известного лазера содержит анод, катод, дополнительный анод, разрядный капилляр, ось которого является оптической осью лазера и в котором происходит возбуждение активной среды. Между анодом и ближайшим к нему концом капилляра располагается испаритель с рабочим веществом, между другим концом капилляра и катодом помещается конденсационная камера. При протекании между анодом и катодом разрядного тока и за счет нагрева испарителя пары рабочего вещества поступают во входной (по направлению движения паров) конец капилляра, дрейфуют за счет явления катафореза по направлению к катоду и, выйдя через выходной конец капилляра, конденсируются на более холодных, чем у капилляра, стенках конденсационной камеры. Разряд, зажигаемый между катодом и дополнительным анодом, препятствует проникновению паров в направлении этого анода. В процессе работы лазера в капилляре возникают флуктуации давления паров рабочего вещества, вызываемые, например, изменениями температуры испарителя за счет колебаний температуры окружающей среды, флуктуациями тока разряда и пр. приводящие к нестабильности мощности излучения. В известном лазере стабилизация давления паров в испарителе и, следовательно, в капилляре основана на том, что напряжение на активном элементе монотонно уменьшается с ростом концентрации паров рабочего вещества. Регулятор давления паров путем регулировки степени нагрева испарителя поддерживает напряжение на активном элементе постоянным и соответствующим режиму с максимальной мощностью излучения, что обеспечивает поддержание оптимального давления паров. Однако стабильность давления паров и мощности излучения известного лазера оказывается недостаточно высокой. Так, в лазере на смеси гелия и паров кадмия (длины волн излучения 441,6 и 325,0 нм, оптимальное произведение давления гелия на внутренний диаметр капилляра 1,2˙10³Па˙мм) при точности поддержания напряжения на активном элементе регулятором давления паров около ±2% относительная нестабильность мощности излучения лазера составляет около 20% Указанная точность работы регулятора давления паров является предельной, т. к. в разряде имеют место флуктуации напряжения, не связанные с давлением паров рабочего вещества. Использование в известном газовом лазере других рабочих веществ, таких как пары селена, ртути, теллура в смеси с гелием, обеспечивает эффективную генерацию лазерного излучения в зеленой, желтой, красной областях видимого спектра. При этом оптимальное для генерации произведение давления гелия на внутренний диаметр капилляра (Р_Нe˙d) оказывается более высоким и составляет для лазеров на парах селена, ртути и теллура соответственно 4,0 ˙10³, 1,7˙ 10³ и ± 2,0˙ 10³ Па˙ мм. В этом случае нестабильность мощности излучения оказывается еще более высокой, чем в лазере на парах кадмия, например, в лазере на парах селена, при такой же точности работы регулятора давления 2% относительная нестабильность мощности составляет уже около 60% Это объясняется тем, что большая относительная нестабильность мощности при более высоких pd определяется менее резкой зависимостью напряжения на активном элементе от давления паров в этом случае, что при одной и той же точности поддержания напряжения регулятором приводит к большим возможным флуктуациям давления паров и мощности излучения. Целью изобретения является повышение стабильности мощности излучения газового лазера на парах химических элементов. Указанная цель достигается тем, что в газовый лазер на парах химических элементов, содержащий активный элемент с анодом, катодом, расположенным в катодной колбе, дополнительным анодом, разрядным капилляром, испарителем и конденсационной камерой, источник питания и регулятор давления паров рабочего вещества в испарителе, введен измерительный капилляр с электродами на его концах, подсоединенный одним концом к входу разрядного капилляра между дополнительным анодом и конденсационной камерой, анод расположен вне разрядного капилляра в анодной колбе, соединенной через испаритель с вторым концом измерительного капилляра, при этом электроды измерительного капилляра подключены к входу регулятора давления паров рабочего вещества, а внутренний диаметр разрядного капилляра меньше внутреннего диаметра разрядного капилляра. Цель может быть достигнута также за счет того, что в известный газовый лазер на парах химических элементов введен измерительный капилляр с электродами на концах, подсоединенный одним концом к выходу разрядного капилляра, катодная колба через конденсационную камеру подсоединена к второму концу измерительного капилляра, при этом электроды измерительного капилляра подключены к входу регулятора давления паров рабочего вещества, а внутренний диаметр измерительного капилляра меньше внутреннего диаметра разрядного капилляра. К преимуществам выполнения устройства по второму варианту можно отнести большую простоту его изготовления. Введение на пути потока паров рабочего вещества измерительного капилляра меньшего диаметра, чем диаметр разрядного капилляра, и подключение электродов капилляра к входу регулятора давления паров, позволяет вести регулировку давления паров в испарителе и в разрядном капилляре по изменению напряжения на измерительном капилляре. Это обеспечивает большую точность регулировки, поскольку для измерительного капилляра из-за меньшего его диаметра d_изм < d величина Р d_измоказывается в d/d_изм раз меньше, чем для разрядного капилляра, и поэтому зависимость напряжения на измерительном капилляре от давления паров оказывается более резко выраженной, чем и обеспечивается большая стабильность давления паров на всем пути от испарителя до конденсационной камеры, в том числе и в разрядном капилляре, что обеспечивает и более высокую стабильность мощности излучения лазера. На фиг. 1 и 2 показано устройство газового лазера согласно первому и второму вариантам соответственно; на фиг. 3 зависимость относительной нестабильности мощности излучения ΔW/W от величины отношения d/d_изм. Газовый лазер содержит активный элемент 1, включающий анод 2, катод 3, дополнительный анод 4, разрядный капилляр 5, ось которого является оптической осью лазера, испаритель 6 с рабочим веществом, конденсационную камеру 7, источник питания 8 активного элемента, подключенный к катоду и анодам через балластные сопротивления 9, регулятор давления 10 паров рабочего вещества, выход которого соединен с нагревателем 11 испарителя, измерительный капилляр 12 и расположенные на его концах электроды 13, которые соединены с входом регулятора 10. Согласно первому варианту (фиг. 1), диаметр патрубков, соединяющих анодную колбу с анодом 2 и испаритель 6, испаритель 6 с измерительным капилляром 13, измерительный капилляр 13 с входом капилляра 5 и область расположения дополнительного анода 4 с входом капилляра 5 и плотность протекающего по ним разрядного тока выбираются такими, чтобы, с одной стороны, предотвратить конденсацию на стенках указанных патрубков паров рабочего вещества, и с другой стороны, ток в капилляре 5, равный сумме токов анодов 2 и 4, был бы оптимальным для генерации. Существенным является то, что измерительный капилляр расположен вне зоны распространения лазерного излучения в разрядной трубке, т.е. вне ее оптической оси с тем, чтобы не происходило диафрагмирования разрядного капилляра малым диаметром измерительного капилляра. Газовый лазер работает следующим образом. При подключении к анодам 2 и 4 и к катоду 3 постоянного напряжения от источника питания 8 в присутствии буферного газа в активном элементе зажигается разряд. По мере нагрева испарителя пары рабочего вещества поступают из него в измерительный капилляр 12 и, пройдя через нее и через разрядный капилляр 5, конденсируются в камере 7. Движения паров в направлении анода 2 и дополнительного анода 4 не происходит из-за наличия тока и электрического поля разряда встречного направления. Регулятор давления паров 10 посредством изменения тока нагревателя 11 меняет температуру испарителя 6 и, следовательно, давление паров так, чтобы напряжение на электродах измерительного капилляра оставалось бы постоянным, соответствовало бы оптимальному давлению паров в разрядном капилляре 5 и максимальной мощности излучения. Т.к. d_изм < d, то Р_Hе˙d_изм < Р_Hеd и зависимость напряжения на измерительном капилляре от давления паров оказывается более резко выраженной, чем в известном лазере, поэтому при одинаковой точности поддержания напряжения (ΔU/U)_изм= ΔU/U относительная нестабильность давления паров и мощности излучения в предложенном лазере будет меньшей, чем в известном. На фиг. 3 показана зависимость относительной нестабильности мощности излучения ΔW/W от величины отношения d/d_изн. Видно, что ΔW/W монотонно снижается при увеличении d/d_изм. Видно также, что для всех d/d_изм> 1, т.е. когда диаметр измерительного капилляра меньше диаметра разрядного капилляра, величина ΔW/W получается меньшей, чем у прототипа, при d/d_изм 1, равной прототипу и при d/d_изм < 1 большей, чем у прототипа. Максимальное значение отношения d/d_изм, определяющее минимальную ΔW/W, определяется минимальным диаметром измерительного капилляра, который способен обеспечить необходимую для работы лазера скорость переноса паров. Согласно второму варианту, лазер содержит те же элементы, что и в первом варианте; отличием является то, что измерительный капилляр 12 подсоединен одним концом к выходу разрядного капилляра 5, а вторым концом подсоединен к катодной колбе через конденсационную камеру 7. Во втором варианте диаметр патрубков, соединяющих область расположения анода 2 с испарителем 6, область расположения дополнительного анода 4 с выходом капилляра 5, выход капилляра 5 с измерительным капилляром 12, измерительный капилляр секцию 12 с конденсационной камерой 7, и плотность протекающего по ним разрядного тока выбираются такими, чтобы предотвратить конденсацию на стенках указанных патрубков паров рабочего вещества, учитывая, что ток и в измерительном капилляре и прилегающих к нему патрубках равен сумме токов анодов 2 и 4. Существенным здесь, как и в первом варианте, является то, что измерительный капилляр расположен вне зоны распространения лазерного излучения, чтобы не происходило диафрагмирования разрядного капилляра малым диаметром измерительного капилляра. Газовый лазер, выполненный по второму варианту, работает следующим образом. При подключении к анодам и к катоду постоянного напряжения от источника питания 8 и в присутствии буферного газа в активном элементе зажигается разряд. По мере нагрева испарителя пары рабочего вещества поступают из него в разрядный капилляр 5 и, пройдя через него, поступают в измерительный капилляр, пройдя которую, конденсируются в конденсационной камере 7. Движения паров в направлении анода 2 и дополнительного анода 4 не происходит из-за наличия тока и электрического поля разряда встречного направления, благодаря чему все атомы рабочего вещества, прошедшие через капилляр 5, проходят и через измерительный капилляр 12. В данном газовом лазере, так же как и в первом варианте, регулировка и стабилизация давления паров в разрядном капилляре производится регулятором давления паров по изменению напряжения на измерительном капилляре, внутренний диаметр которого выбирается меньшим, чем у капилляров 5, что приводит к более резко выраженной зависимости напряжения от давления паров и, что определяет повышение стабильности давления паров и мощности излучения лазера в процессе работы. Предложенный лазер, сохраняя неизменными основные технические характеристики известного лазера, существенно улучшает одну из них стабильность мощности излучения, что позволяет использовать его в условиях со значительными колебаниями температуры окружающей среды, т.е. расширяет область применения лазеров этого типа.

Формула изобретения

1. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, содержащий активный элемент с анодом, катодом, расположенным в катодной колбе, дополнительным анодом, разрядным капилляром, испарителем, и конденсационной камерой, источник питания и регулятор давления паров рабочего вещества в испарителе, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности мощности излучения, в лазер введен измерительный капилляр с электродами на его концах, подсоединенный одним концом к входу разрядного капилляра между дополнительным анодом и конденсационной камерой, анод расположен вне разрядного капилляра в анодной колбе, соединенной через испаритель с вторым концом измерительного капилляра, при этом электроды измерительного капилляра подключены к входу регулятора давления паров рабочего вещества, а внутренний диаметр разрядного капилляра меньше внутреннего диаметра разрядного капилляра. 2. Лазер по п.1, содержащий активный элемент с анодом, катодом, расположенным в катодной колбе, дополнительным анодом, разрядным капилляром, испарителем и конденсационной камерой, источник питания и регулятор давления паров рабочего вещества в испарителе, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности мощности излучения, в лазер введен измерительный капилляр с электродами на концах, подсоединенный одним концом к выходу разрядного капилляра, катодная колба через конденсационную камеру подсоединена к второму концу измерительного капилляра, при этом электроды измерительного капилляра подключены к входу регулятора давления паров рабочего вещества, а внутренний диаметр измерительного капилляра меньше внутреннего диаметра разрядного капилляра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3