волноводный со₂ - лазер с высокочастотным возбуждением

Формула изобретения

1. Волноводный CO₂-лазер с высокочастотным возбуждением и с двумя взаимно параллельными волноводно-разрядными каналами преимущественно прямоугольного сечения, оптически объединенными с помощью поворачивающих зеркал, содержащий корпус, внутри которого размещены пластинчатый изолятор и два параллельных высокочастотных электрода, отличающийся тем, что изолятор выполнен в виде четырех пластин, между которыми введен находящийся в теплоэлектрическом контакте с корпусом дополнительный электрод так, что две противоположные стенки каждого из волноводно-разрядных каналов образованы двумя пластинами изолятора, в две другие стенки одним из высокочастных электродов и дополнительным электродом, причем стенки волноводно-разрядных каналов, образованные электродами, перпендикулярны плоскости падения света в поворачивающих зеркалах.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что электроды и корпус изготовлены из алюминия, причем дополнительный электрод выполнен в виде цилиндра и установлен без зазора в цилиндрическом отверстии, выполненном в корпусе, снабжен поперечными пазами и подлежат к боковым поверхностям пластин изолятора введеными в пазы пружинами, а высокочастотные электроды установлены своими выступами в продольные пазы, выполненные в пластинах изолятора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технике, а конкретно к волноводным газовым лазерам, и может быть использовано в волноводных СО₂ лазерах с высокочастотным возбуждением медицинского и промышленного назначения.

Известен газовый лазер, содержащий корпус, внутри которого размещены два взаимно параллельных разрядных канала, оптически объединенных с помощью призмы, имеющей две зеркальных грани (1). Такое техническое решение имеет следующие недостатки:

1. Снижение мощности излучения лазера, вызванное потерями на поглощение и рассеяние света в материале призмы;

2. Снижение мощности излучения лазера, вызванное термооптическими эффектами в материале призмы;

3. Снижение мощности излучения лазера, связанное с погрешностями изготовления призмы, некомпенсируемыми при юстировке лазера.

Известен также волноводный СО₂ лазер с высокочастотным возбуждением, содержащий корпус, внутри которого размещены два высокочастотных электрода и зажатый между ними пластинчатый изолятор. Электроды и изолятор, в котором выполнены два взаимно параллельных паза, образуют два взаимно параллельных волноводно-разрядных канала, оптически объединенных с помощью двух поворачивающих зеркал таким образом, что оптические оси каналов совмещены. Плоскость падения света в поворачивающих зеркалах параллельна токопроводящей стенке волноводно-разрядных каналов, образованной одним из электродов. Другой электрод служит основанием полученной волноводно-разрядной структуры и контактирует с корпусом. Подача высокочастотного напряжения на оба волноводно-разрядных канала осуществляется от общего источника питания (2).

Такое техническое решение позволяет увеличить мощность излучения лазера за счет исключения потерь, связанных с поглощением, рассеянием и термооптическими эффектами в материале призмы. Погрешности установки зеркал, а также погрешности взаимного расположения волноводно-разрядных каналов могут быть скомпенсированы при юстировке зеркал.

Волноводно-разрядные каналы описанной конструкции, у которых часть стенок изготовлена из изолирующего материала, а часть из токопроводящего материала (например из металла), являются оптически анизотропными. Можно показать, что наименьшими волноводными потерями в них обладает плоскополяризованное излучение, у которого вектор напряженности электрического поля параллелен токопроводящей стенке волноводно-разрядных каналов. Действительно, удельные волноводные потери для основной моды излучения, поляризованного параллельно токопроводящей стенке волноводно-разрядного канала, можно записать в виде:

(1)

Для основной моды излучения, поляризованного перпендикулярно токопроводящей стенке волноводно-разрядного канала:

(2)

Здесь длина волны излучения;

а поперечный размер волноводно-разрядного канала;

Re{_Di}, Re{_Me} вещественная часть показателя преломления, соответственно, материала изолятора и материала электрода на длине волны излучения.

На типичных длинах волн излучения СО₂ лазеров (9-11 мкм) вещественная часть показателя преломления металлов, применяемых для изготовления электродов, имеет значения от 4 (титан) до 23 (алюминий), вещественная же часть показателя преломления для изоляторов от 0,07 (окись бериллия) до 2,2 (двуокись кремния) (3,4). Т.о. волноводные потери ниже, а мощность излучения выше для излучения, поляризованного параллельно токопроводящей стенке волноводно-разрядного канала.

В поворачивающих зеркалах наименьшими потерями (т.е. наибольшим отражением) обладает плоскополяризованное излучение, у которого вектор напряженности электрического поля перпендикулярен плоскости падения света.

Описанное техническое решение имеет следующие недостатки:

1. Снижение мощности излучения лазера из-за перегрева газа в волноводноразрядных каналах, связанное с тем, что отвод на корпус выделяемого при работе лазера тепла происходит через изолятор, материал которого обладает низкой теплопроводностью;

2. Снижение мощности излучения лазера, вызванное потерями в поворачивающих зеркалах, ориентированных таким образом, что плоскость падения света в них параллельна токопроводящей стенке волновода (иная ориентация поворачивающих зеркал не может быть реализована в данном техническом решении).

Недостатком технического решения является также низкая надежность зажигания лазера, связанная с тем, что при более раннем зажигании разряда в одном из волноводно-разрядных каналов становится невозможным зажигание другого канала из-за снижения напряжения на выходе источника питания.

Целью изобретения является увеличение мощности излучения лазера.

Поставленная цель достигается тем, что в волноводном СО₂ лазере с высокочастотным возбуждением, содержащем корпус, внутри которого размещены изолятор и два высокочастотных электрода, образующих два взаимно параллельных волноводно-разрядных канала, оптически объединенных с помощью поворачивающих зеркал, изолятор выполнен в виде четырех пластин. Между пластинами изолятора введен дополнительный электрод, образующий вместе с высокочастотными электродами и пластинами изолятора стенки волноводно-разрядных каналов. Дополнительный электрод находится в теплоэлектрическом контакте с корпусом, чем обеспечивается повышение эффективности охлаждения газа в волноводно-разрядных каналах, а следовательно, и увеличение мощности излучения лазера. Подача высокочастотного напряжения на волноводно-разрядные каналы может осуществляться от двух независимых источников питания через соответствующие высокочастотные электроды, что повышает надежность зажигания лазера.

В предлагаемом техническом решении поворачивающие зеркала ориентированы таким образом, что плоскость падения света в поворачивающих зеркалах перпендикулярна стенкам волноводно-разрядных каналов, образованным высокочастотными и дополнительным электродами. Резонатор такого лазера селектирует плоскополяризованное излучение, обладающее наименьшими потерями одновременно и в волноводно-разрядных каналах, и в поворачивающих зеркалах, что увеличивает мощность излучения лазера.

В частном случае предлагается выполнить дополнительный электрод в форме цилиндра. Для улучшения теплового контакта с корпусом дополнительный электрод установлен без зазора в цилиндрическом отверстии, выполненном в корпусе. Корпус и электроды изготовлены из алюминия, обладающего высокими тепло- и электропроводностью при малом весе и низкой стоимости. Дополнительный электрод находится в тепловом контакте с боковыми поверхностями пластин изолятора. Высокочастотные электроды имеют выступы, которые входят в продольные пазы, выполненные в пластинах изолятора.

Для увеличения отвода тепла от волноводно-разрядных каналов в поперечные пазы, выполненные в противоположных боковых поверхностях дополнительно электрода введены самоустанавливающиеся пластинчатые пружины, стягиваемые между собой попарно, например, винтами. При этом пластинчатые пружины, концы которых между собой дополнительный электрод, пластины изолятора и высокочастотные электроды, обеспечивая стабильный, не зависящий от теплового расширения элементов конструкции и внешних механических воздействий тепловой контакт между пластинами изолятора и дополнительным электродом, а также между высокочастотными электродами и пластинами изолятора. Количество пластинчатых пружин определяется длиной волноводно-разрядных каналов и мощностью тепловыделения. Улучшение теплового контакта между элемента конструкции лазера, а также снижение тепловыделения за счет уменьшения электрических потерь в материале электродов и в электрическом контакте между дополнительным электродом и корпусом позволяют увеличить мощность излучения по сравнению с прототипом. Увеличение мощности излучения в предложенном техническом решении не требует увеличения размеров лазера или повышения потребляемой мощности.

Предлагаемое техническое решения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан волноводный газовый лазер с высокочастотным возбуждением.

На фиг. 2 изображена волноводно-разрядная структура волноводного газового лазера.

Фиг. 3 показывает поперечное сечение волноводного газового лазера и поясняет п.2 формулы изобретения.

Волноводный газовый лазер содержит заполненный углекислым газом, например в смеси с гелием и азотом, корпус 1, внутри которого размещены два высокочастотных электрода 2, дополнительный электрод 3 и четыре пластины изолятора 4, образующие два взаимно параллельных волноводно-разрядных канала 5. Волноводно-разрядные каналы 5 одинаковы по размеру, имеют преимущественно прямоугольную форму и оптически объединены с помощью поворачивающих зеркал 6. Поворачивающие зеркала 6 установлены таким образом, что оптические оси волноводно-разрядных каналов 5 совмещены, а плоскость падения света в поворачивающих зеркалах 8 перпендикулярна металлическим стенкам волноводно-разрядных каналов 5, образованных электродами 2 и 3. В корпусе 1 имеются также отражатели 7, один из которых является частично прозрачным для излучения волноводного СО₂ лазера. Пластины изолятора 4 одинаковы по величине и имеют преимущественно прямоугольное сечение. Дополнительный электрод 3, установленный между пластинами изолятора 4, находится в теплоэлектрическом контакте с корпусом 1.

В частном случае корпус 1 и электроды 2 и 3 изготовлены из алюминия cпособом экструзии или обработкой резанием. Пластины изолятора 4 изготовлены из окиси алюминия. Корпус 1, имеющий в сечении прямоугольную или круглую форму, снабжен отверстием, хотя бы часть поверхности которого является круговым цилиндром. Дополнительный электрод 3 цилиндрической формы имеет в сечении преимущественно крестообразную форму, а часть его боковой поверхности представляет собой круговой цилиндр. Дополнительный электрод 3 установлен без зазора в отверстии корпуса 1. Посадка дополнительного электрода 3 в корпусе 1 обеспечивается например пластической деформацией корпуса 1 после установки в него собранной волноводно-разрядной структуры. Дополнительный электрод 3 снабжен, по меньшей мере, тремя парами поперечных пазов, расположенных в цилиндрической части его боковой поверхности, и находится в тепловом контакте с пластинами изолятора 4. Высокочастотные электроды 2 имеют выступы, которые плотно входят в продольные пазы, выполненные в пластинах изолятора 4. В поперечные пазы дополнительного электрода 3 введены самоустанавливающиеся пружины 8. Взаимное поджатие элементов волноводно-разрядной структуры обеспечивается парой самоустанавливающихся пластинчатых пружин 78, стягиваемых винтом 9. При этом обеспечивается одинаковое давление на каждую из пластин изолятора 4.

Волноводный газовый лазер работает следующим образом. При подаче на высокочастотные электроды 2 напряжения высокой частоты в волноводно-разрядных каналах 5 зажигаются газовые высокочастотные разряды, а на выходе одного из отражателей 7 наблюдается лазерное излучение. Лазерное излучение поляризовано таким образом, что вектор напряженности электрического поля параллелен металлическим стенкам волноводно-разрядных каналов 5 и перпендикулярен плоскости падения света в поворачивающих зеркалах 4. Отвод тепла, выделяемого при горении газовых высокочастотных разрядов, от волноводно-разрядных каналов 5 осуществляется на корпус 1 через дополнительный электрод 3, как непосредственно, так и через находящиеся в тепловом контакте высокочастотные электроды 2 и пластины изолятора 4.