ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР


RU (11) 2165119 (13) C1

(51) 7 H01S3/038 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 99127364/28 
(22) Дата подачи заявки: 1999.12.29 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1999.12.29 
(43) Дата публикации заявки: 2001.04.10 
(45) Опубликовано: 2001.04.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: WO 94/15384 A1, 07.07.1994. WO 93/01635 A1, 21.03.1993. US 4939738 A, 03.07.1990. US 4813052 A, 21.03.1989. RU 2124790 C1, 10.01.1999. RU 2089983 C1, 10.09.1997. 
(71) Заявитель(и): Общество с ограниченной ответственностью "ВА Инструментс" 
(72) Автор(ы): Дутов А.И.; Елохин В.А.; Кулешов А.А.; Николаев В.И.; Новоселов Н.А.; Протопопов С.В.; Семенов В.Е.; Соколов А.А. 
(73) Патентообладатель(и): Общество с ограниченной ответственностью "ВА Инструментс" 
Адрес для переписки: 198095, Санкт-Петербург, ул. Маршала Говорова 52, ООО "ВА Инструментс" 

(54) ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР 

Газовый лазер с высокочастотной накачкой, включающий протяженные металлические электроды, образующие щелевой разрядный промежуток, имеет на поверхности электродов со стороны разряда углубления в форме канавок, расположенных в направлении, ортогональном оптической оси лазера. Электроды с такой конфигурацией представляют собой комбинацию волновода, в котором излучение распространяется вдоль оси лазера, и свободного пространства для распространения света в направлении, перпендикулярном поверхности электродов. Канавки создают систему пространственных фильтров для селекции моды генерации низшего порядка. Технический результат заключается в улучшении модовой структуры лазерного луча за счет внутрирезонаторной селекции моды генерации низшего порядка. Для увеличения ресурса работы лазера поверхности всех элементов лазера, кроме зеркал резонатора и выходного окна, имеют покрытия из чистого алюминия. 3 з.п.ф-лы, 1 табл., 5 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых лазеров с высокочастотным возбуждением активной среды и, в особенности, к отпаянным щелевым CO2 лазерам.

В классе CO2 лазеров с диффузионным охлаждением активной среды особое место занимают волноводные лазеры (см. например "A Transversely RF-exited CO2 waveguide laser", J.L.Lachambre et al., Appl. Phis. Lett., vol. 32 (10), pp. 652-653, (1978).

В этих лазерах удалось реализовать высокие мощности излучения при компактной конструкции благодаря тому, что лазерное излучение распространяется вдоль оси лазера в волноводе, стенки которого имеют квадратное или круглое сечение с характерным размером всего в несколько миллиметров (обычно 2 - 5 мм), что позволяет эффективно охлаждать активную среду лазера.

В патенте US 4169251 (1979), Laakmann впервые описана конструкция такого волноводного лазера, работающего длительное время в отпаянном режиме, т.е. без непрерывной прокачки газовой среды.

Дальнейшее развитие лазеры волноводного типа получили, когда при сохранении длины и высоты разрядного промежутка был увеличен в несколько раз поперечный к направлению распространения света размер разрядного промежутка, т.е. ширина волноводного канала.

В поперечном к продольной оси электродов направлении свет распространяется свободно в отличие от волноводного направления (см. например, "Radio-frequency Exited Stripline CO and CO2 lasers", R.Hertzberg, A.Gabay, S. Yatsiv, Digest of Conference on laser Engineering and Application, paper Tu B4, (1984), а также S.Yatsiv. "Conductivity cooled capacitively coupled RF-exited CO2 lasers" in Gas Flow and Chemical Lasers, 6th Int. Symposium (1986), published by Springer, Proceedings pp. 252-257 (1987)).

Известны щелевые CO2 лазеры, включающие в себя пару протяженных охлаждаемых металлических электродов, образующих щелевой разрядный промежуток с активной средой, в котором возбуждается поперечный высокочастотный разряд, а также зеркала резонатора, установленные вблизи торцов электродов разрядного промежутка. Щелевой разрядный промежуток является одновременно и световодом, в котором излучение распространяется как в волноводе вдоль электродов и свободно распространяется в поперечном направлении. Комбинация волноводного и неволноводного распространения излучения позволила реализовать высокие плотности мощности накачки активной среды и соответственно получить высокие уровни мощности генерации излучения

J.Tulip. US Pat. 4719639 (1988); H.Opower. US Pat. 4939738 (1990).

В известных щелевых лазерах используются, как правило, неустойчивые резонаторные схемы для неволноводного направления, улучшающие селекцию основной моды генерации излучения в неволноводном направлении. Описанные в этих патентах резонаторы включают одно вогнутое и одно выпуклое зеркало. Этот тип резонатора известен как резонатор положительной ветви неустойчивости.

Щелевой лазер с резонатором отрицательной ветви неустойчивости описан в US Pat. 5048048 (1991), J.Nishimae et al. Резонатор состоит из двух вогнутых зеркал с фокусом внутри резонатора. Этот тип неустойчивого резонатора также осуществляет селекцию основной моды в неволноводном направлении, но отличается от резонатора "положительной ветви неустойчивости" низкой чувствительностью к разъюстировкам, что важно для технологических лазеров.

Щелевые лазеры с неустойчивыми резонаторами отрицательной ветви неустойчивости заявлены также в серии патентов компании "Coherent Inc.": US Pat. 5123028, (1992) - 5238797, (1994), а также в патенте РФ N 2124790, 1997, А. И. Дутов и др.

Известные щелевые CO2 лазеры не свободны от недостатков. Так, успех использования лазеров высокой мощности для обработки материалов и для лазерных радаров сильно зависит от оптического качества луча, т.е. от модового состава и расходимости луча. В лазерах со щелевой активной средой плоские поверхности электродов образуют оптический волновод с характерным размером по высоте зазора 1,5-3 мм, что по теории должно приводить к формированию преимущественно моды низкого порядка в волноводном направлении. Однако на практике в щелевых лазерах генерируются также моды высокого порядка, что приводит к резкому увеличению расходимости луча. К этому приводят некоторые физические причины, например, неоднородность активной среды и коэффициента преломления, и особенно, искажение модового состава при взаимодействии волны с торцами электродов разрядного промежутка и с поверхностью зеркал.

Моды высокого порядка обычно присущи щелевым лазерам с неустойчивыми резонаторами отрицательной ветви неустойчивости. Для компактных лазеров (с короткой длиной активной среды) кривизна вогнутых зеркал достаточно велика. Поэтому даже основная мода существенно ослабляется после отражения от такого зеркала и некоторая часть лазерной энергии перекачивается в моды высшего порядка. Следует отметить, что степень искажения структуры мод растет как квадрат высоты разрядного промежутка.

Процессы искажения модовой структуры при взаимодействии волны с одним из зеркал иллюстрируют результаты расчетов, проведенных авторами предлагаемого изобретения.

На фиг. 1 приведены результаты расчетов распределения энергии Ei между основной (i = 1) и последующими (i = 3, 5, 7) модами волновода на поверхности вогнутого зеркала резонатора в зависимости от кривизны зеркала 1/R, где R - радиус зеркала, при высоте щели разрядного промежутка h = 4 мм (фиг. 1,a) и h = 2 мм (фиг. 1,б).

Как можно видеть из Фиг. 1,а, энергия моды третьего (кривая 3) и пятого (кривая 5) порядка составляют в сумме до 35% энергии основной моды (кривая 1) в типичном случае R = 1 м и разрядном промежутке высотой h = 4 мм. При том же радиусе зеркала R = 1 м и высоте разрядного промежутка h = 2 мм суммарное содержание мод высших порядков (кривые 3, 5, 7) составляет менее 1% от основной моды (1). Из сравнения фиг. 1,а и фиг. 1,б видно, что селективные свойства разрядной щели, т.е. способность к фильтрации мод высших порядков, существенно ухудшаются при увеличении высоты щели. При высоте разрядного промежутка h 4 мм конфокальный неустойчивый резонатор не обладает достаточно сильной способностью селектировать основную моду (см. также, например, "Slab waveguide RF-exited CO2 laser for material proceeding". A.I. Dutov, N. A. Novoselov, V.N. Sokolov, A.A. Kuleshov. Proc. SPIE vol. 2713, pp. 51 - 57 (1995).

Известен резонатор неволноводного типа с улучшенной селекцией основной моды, который включает пару зеркал традиционного резонатора и два электрода разрядного промежутка, имеющих специальную форму с малым изгибом: "700 Wdiffusion cooled, large area, 40,68 MHz exited CO2 laser employing split-wave hibrid confocal resonator". P. Vitruk, J. Schemmer, S. Biron, presented at the Int.Symp. on High-Power laser Ablation. Santa Fe (1998); Proc. SPIE vol. 3343-55. Эта система селектирует моду низшего порядка благодаря очень малому (0,5 - 1,5 мрад) изгибу плоских параллельных электродов и наличию некоторой прерывающей поверхность ступеньки в центре электрода.

Известен также газовый лазер щелевого типа, в котором реализован метод внутрирезонаторной селекции одиночной моды высокого порядка: WO 93/01635 (1993), "Slab Laser Resonators" D.R.Hall et al.

Метод основан на использовании модулятора пространственных потерь, который создает одномерные периодические потери и модуляцию фазы для лазерного излучения, распространяющегося параллельно главной оптической оси щелевого лазера при использовании устойчивого резонатора.

Известный модулятор пространственных потерь содержит электроды, на которых выполнены канавки или возвышающиеся участки, расположенные на электродах вблизи зеркал резонатора или вдоль длинной поверхности щелевого волновода параллельно главной оптической оси. Канавки образуют периодическую структуру. Периодичность этой структуры зависит от длины резонатора и выбирается так, чтобы удовлетворять требованию когерентности изображения (условию Талбота).

Известный модулятор пространственных потерь может быть образован также путем создания периодических участков напылением на электроды материалов с различными коэффициентами отражения.

Для увеличения коэффициента отражения поверхности электродов щелевого волновода имеют высокоотражающие покрытия.

Известный газовый лазер щелевого типа с внутрирезонаторной селекцией мод с модулятором пространственных потерь может быть выбран в качестве наиболее близкого аналога предлагаемого изобретения.

Существенным недостатком известных газовых лазеров, работающих без прокачки активной среды (отпаянных лазеров), является ограниченный ресурс работы. Для щелевых отпаянных CO2 лазеров со средней мощностью 100 - 200 Вт характерный ресурс работы составляет примерно 5 тысяч часов. Ресурс работы лазера сильно зависит от качества поверхностей электродов и зеркал резонатора, а также от чистоты и сохранения состава и свойств активной газовой среды при длительной эксплуатации.

Задачей настоящего изобретения является улучшение технических характеристик лазера, в частности уменьшение расходимости лазерного луча и увеличение ресурса работы лазера в отпаянном режиме.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в улучшении модовой структуры лазерного луча за счет внутрирезонаторной селекции моды генерации низшего порядка и увеличении ресурса работы лазера за счет уменьшения степени деградации активной газовой среды лазера.

Технический результат достигается тем, что в известном газовом лазере щелевого типа с высокочастотным возбуждением, включающем герметичный корпус с активной газовой средой и окном для выхода лазерного излучения, установленные внутри корпуса зеркала резонатора, между которыми размещены расположенные напротив друг друга, подключенные к ВЧ-генератору и образующие разрядный промежуток протяженные, имеющие покрытие электроды с углублениями на обращенных к разряду поверхностях, в соответствии с изобретением углубления на поверхности электродов выполнены в виде расположенных в направлении, ортогональном продольной оси электродов разрядного промежутка канавок, образующих систему пространственных фильтров для селекции мод лазерного излучения, причем геометрические параметры канавок и расстояние между ними выбираются из условия преимущественной генерации моды излучения низшего порядка.

Кроме того, указанные канавки имеют ширину и глубину в диапазоне 1 - 5 мм и расположены на равных расстояниях от 1/5 до 1/20 длины электродов одна от другой.

Кроме того, покрытие выполнено из пленки чистого алюминия толщиной 1 - 5 мкм и размещено на поверхностях всех элементов лазера, контактных с активной средой, за исключением рабочих поверхностей зеркал резонатора и выходного окна.

Кроме того, в качестве пленки алюминия используется пленка, полученная осаждением на напыляемую поверхность при термическом испарении чистого алюминия в потоке испаряемого из жидкой фазы гелия при давлении паров гелия 1-10 Па при температуре напыляемой поверхности 300-450oC и скорости осаждения пленки на поверхность 1-10 монослоев в секунду.

Сущность изобретения поясняется фиг.2, на которой схематически представлено продольное сечение разрядного промежутка щелевого лазера. Поверхности электродов 1 на каждой стороне разрядного промежутка 2 имеют пространственную структуру с канавками 3, расположенными в направлении, перпендикулярном оптической оси лазера. Поверхности электродов обработаны с оптическим качеством, чтобы минимизировать потери излучения. Поверхности всех конструктивных элементов лазера: электродов 1, крепежных, юстировочных и других устройств (не показаны), корпуса 6, кроме рабочих поверхностей зеркал резонатора 4 и выходного окна 5, покрыты слоем чистого алюминия.

Профиль канавок выбран так, чтобы минимизировать возвращение света в разрядный промежуток. В разрядной щели излучение распространяется по волноводному механизму, тогда как внутри канавки свет распространяется как в свободном пространстве. Таким образом, в предлагаемой конфигурации оптической схемы щелевого лазера волноводное распространение света в щели многократно комбинируется со свободным распространением света внутри канавок.

Волноводные моды, входящие в свободное пространство, испытывают дифракционное расплывание. При этом величина расплывания зависит от числового индекса моды. Чем больше индекс, тем больше расплывается излучение волноводной моды. Следовательно, моды высокого порядка теряют гораздо больше энергии, чем основная мода. Таким образом, многократное последовательное повторение волноводного и свободного режимов распространения света в межэлектродном пространстве обеспечивает селекцию низшей моды генерации лазерного излучения.

Этот процесс иллюстрируется рассчитанной зависимостью потерь энергии от расстояния свободного распространения для нескольких волноводных мод, фиг. З.

Как можно заключить из фиг. 3, при ширине канавки x = 2 мм основная мода (кривая 1) будет терять около 0,01% энергии, тогда как третья (кривая 3) и пятая моды (кривая 5) будут ослаблены соответственно в семь и двенадцать раз больше. Поэтому ряд канавок представляет собой систему пространственных фильтров и пропускает преимущественно моду низшего порядка.

Фиг. 4 и 5 показывают результаты применения системы селекции мод, состоящей из 10 канавок шириной по 2 мм каждая, нарезанных на электродах щелевого лазера. Расчеты проведены для следующих основных геометрических параметров щелевого лазера с неустойчивым резонатором отрицательной ветви неустойчивости:

длина электродов - 600 мм

высота щели - 2 мм

расстояние между зеркалами и торцами электродов - 4 мм

увеличение резонатора - 1,17

На фиг. 4 приведены результаты расчета распределения интенсивности излучения I (х) (структура мод) в поперечном сечении (по высоте x) разрядного промежутка для двух случаев: без - (1) и с системой пространственных фильтров - (2). Энергетический состав мод (%) для этих двух случаев представлен в таблице.

Сумма процентов в обоих случаях не равна 100% из-за наличия в распределении мод более высоких порядков.

Фиг. 5 показывает рассчитанное угловое распределение мощности излучения в дальнем поле, соответствующее приведенным на фиг. 4 распределениям в ближней зоне. В первом случае (без селекции моды низшего порядка, кривая 1) угловое распределение излучения лазера имеет более длинный "хвост", причем более 30% мощности излучения сосредоточено в области очень больших углов (> 20 мрад) и не дает вклада в полезное излучение лазера. При наличии селекции мод (кривая 2) мощность излучения в области малых углов существенно выше.

Как видно из анализа фиг.4 и 5 и данных таблицы, использование фильтрующей системы, расположенной внутри полости резонатора щелевого лазера позволяет значительно улучшить состав мод и уменьшить расходимость лазерного луча.

В предлагаемом щелевом лазере параметры системы пространственных фильтров - количество канавок, их расположение и ширина - должны быть оптимизированы для каждого конкретного случая высоты разрядного промежутка, принимая во внимание, с одной стороны, основные геометрические параметры щелевого лазера, и, с другой стороны, необходимость обеспечить низкие энергетические потери основной моды излучения. Главная цель оптимизации - обеспечить высокое оптическое качество лазерного луча, т.е. высокое содержание моды излучения низшего порядка, и следовательно, низкую расходимость лазерного луча. Оптимизация достигается расчетным путем.

Ресурс работы отпаянных лазеров ограничен из-за ухудшения качества оптических элементов (поверхностей электродов, зеркал резонатора, выходного окна) и деградации активной газовой среды в процессе работы.

Известен газовый лазер щелевого типа (PCT W0 93/17474 "Slab laser with enhanced lifetime", P. Gardner et al.), в котором использовано несколько усовершенствований, направленных на увеличение ресурса работы зеркал резонатора. Суть усовершенствований заключается в создании между концами разрядных электродов и зеркалами резонатора дополнительных поверхностей в виде металлических или керамических отрезков электродов, не участвующих в формировании разряда, или экранов перед зеркалами.

На этих дополнительных поверхностях происходит рекомбинация ионов, атомов и нормализация состояний возбужденных молекул, образующихся в разряде. Благодаря эффективному отводу поверхностью энергии, выделяющейся в процессах рекомбинации, скорость рекомбинации на поверхности существенно выше, чем в газофазных реакциях.

Предложенные усовершенствования позволяют снизить интенсивность процессов взаимодействия активных частиц, образующихся в разряде, с поверхностью зеркал резонатора, и тем самым уменьшить скорость деградации зеркал и увеличить ресурс работы лазера.

Однако недостатком известного лазера остается достаточно высокая скорость деградации активной газовой среды.

Основной причиной ухудшения качества газовой среды является изменение ее состава из-за диссоциации молекул в разряде (особенно, молекул CO2), сорбции продуктов диссоциации молекул на поверхностях, а также выделений в рабочий объем посторонних газов, адсорбированных на поверхностях и растворенных в материалах конструкции.

Известно, что особенности взаимодействия частиц плазмы разряда с поверхностью и свойства самой поверхности могут быть использованы для уменьшения степени деградации активной среды.

Одним из способов, замедляющих уменьшение концентрации CO2 в активной среде, является применение каталитических покрытий из золота или оксидов серебра на внутренних поверхностях элементов лазера для восстановления молекул CO2. (J. A. Macken. US Pat. 4756000 (1988); J.A. Macken. US Pat. 4757512 (1988)).

Вместе с тем, в работе "Investigation of the gas composition in sealed-off RF-exited CO2 lasers", W. Haas, T. Kihimoto, SPIE, vol. 1276 "CO2 lasers and Applications" (1990) показано, что алюминий также обладает каталитическими свойствами и эффективно снижает степень распада CO2 в активной среде. Так, если при одинаковых условиях разряда на медной поверхности степень распада молекул CO2 в лазерной среде составляет 64-67%, для золотой поверхности 49%, то для поверхности из алюминия 55%.

В работе сделан вывод о том, что благодаря эффективному каталитическому восстановлению молекул CO2, хорошим оптическим волноводным свойствам и низкой стоимости, алюминий является предпочтительным материалом для электродов щелевых лазеров.

Чистый алюминий, однако, является очень мягким материалом, поэтому изготовление электродов из чистого алюминия влечет за собой усложнение конструкции.

В то же время, из практики сверхвысоковакуумной и криогенной техники известно, что покрытия из чистого алюминия при определенных условиях напыления могут существенно (на 3 - 4 порядка) снижать адсорбционно-десорбционные процессы на поверхностях, уменьшать выделение газов, растворенных в объеме металлов, и увеличивать отражательную способность поверхностей в инфракрасном диапазоне. В вакуумных камерах с такими покрытиями рабочее давление 10-8 Па достигается без прогрева камер даже после длительного пребывания на атмосферном воздухе:

M.P. Larin. Preparation of thin film coatings allowing ~104 reduction in gas emission on the surfaces of ultra-high vacuum systems. VUOTO, Scienza e Tecnologia. Proceedings of: 2nd European Vacuum Conference (EVC-2); 11th National Vacuum Congress (AIV-11), v.20, N 2, р.310-314. M.L. Alexandrov, M. P. Larin, V.I. Nikolaev. Criogenic sorption pump. Patents US 4979363, 1990: EP 0363497 A1, 1990; US 5,014,517, 1991. N. Gotoh, T. Momose, H. Ishimaru, M. P. Larin. Liquid helium cryopumps with lowemissivity Al film and low helium consumption. Journal Vacuum Science & Technology, A Second Series, Sep/Oct 1995, v. 13, N 5, p. 2579-2581). М.П. Ларин, В.И. Раховский. Способ нанесения металлического покрытия. Патент N 95107302/02 (012783), 1996.

Для уменьшения негативного эффекта деградации активной газовой среды и увеличения времени жизни лазера в настоящем изобретении поверхности всех конструктивных элементов лазера, имеющие контакт с активной средой, исключая рабочие поверхности зеркал оптического резонатора и выходного окна, покрываются пленкой чистого алюминия с чистотой не менее 99,99%, толщиной 1-5 мкм со средней величиной кристаллов более 1 мкм по специально разработанной технологии диффузионного напыления. (Рабочие поверхности зеркал резонатора и выходного окна не покрываются пленкой алюминия, т.к. они, как правило, имеют специфические многослойные интерференционные покрытия).

При диффузионном напылении осаждение алюминия производится на тщательно обезгаженные длительным прогревом (около двух часов при температуре 350-400oC) поверхности конструктивных элементов путем термического испарения чистого алюминия в потоке газа (гелия), получаемого испарением из жидкой фазы, при давлении гелия 1-10 Па. Температура поверхности деталей при напылении 300-450oC, время процесса напыления в зависимости от требуемой толщины слоя алюминия составляет от 5 до 15 мин при скорости формирования покрытия порядка 1 - 10 монослоев в секунду.

Напыление в потоке газа (диффузионное напыление) имеет следующие особенности.

1. Поток гелия обеспечивает непрерывную "промывку" объема напылительной камеры, существенно снижая поток примесей на напыляемую поверхность, обусловленный обратным потоком газов из откачивающих насосов и газовыделениями с конструктивных элементов напылительной камеры.

2. Поскольку напыление проводится в потоке гелия, получаемого испарением из жидкой фазы, достигаются особо чистые условия процесса напыления. Концентрация микропримесей (главным образом, водорода) в таком гелии не превышает 10-6 - 10-8%, т.е. напыление проводится при парциальном давлении микропримесей порядка 10-8 - 10-10 Па. (При обычном вакуумном напылении давление остаточного газа в процессе напыления составляет 10-3 - 10-4 Па). Вследствие высокой подвижности атомов гелия и его инертности гелий легко диффундирует из пленки и не мешает росту кристаллов при напылении.

3. Характерная длина свободного пробега атомов в гелии в процессе напыления порядка 1 см. Поэтому атомы напыляемого металла в пространстве между испарителем и напыляемой поверхностью испытывают многократное рассеяние, теряя энергию и меняя направление движения. Напыление осуществляется из диффузионного облака атомов металла, что обеспечивает равномерное покрытие деталей самой сложной формы.

4. Вследствие многократного рассеяния атомы металла осаждаются на поверхность при энергии, определяемой не температурой испарителя, а температурой газа, т.е. при тепловой энергии. При этом достигается предельно мягкое взаимодействие с поверхностью, при котором атомы металла не внедряются в кристаллическую решетку поверхности, а имеют возможность занять оптимальное положение в решетке с минимальной потенциальной энергией, что определяет возможность роста крупных кристаллов с минимальным количеством дефектов и плотными границами срастания.

Для покрытий из чистого алюминия, используемых в настоящем изобретении, средний размер кристаллов порядка 1 - 3 мкм. Покрытие обладает высокой адгезией по отношению к различным материалам (медь, сталь, титан, сплавы алюминия, меди и др.), применяемым в конструкции лазеров.

Указанные особенности процесса диффузионного напыления обеспечивают получение плотных покрытий из различных металлов. Для получения крупнокристаллических пленок с размером кристаллов более 1 мкм покрытие осуществляют при температуре напыляемой поверхности порядка 60-80% от температуры плавления напыляемого металла. Причем метод испарения напыляемого металла может быть любым - термическое испарение, тлеющий или дуговой разряд, лазерное испарение и т.п., что позволяет напылять и тугоплавкие материалы с высоким качеством пленок.

Традиционные технологии вакуумного и магнетронного напыления не позволяют получать пленки с совокупностью свойств, характерных для покрытий, получаемых диффузионным напылением.

Положительный эффект в настоящем изобретении достигается благодаря особым свойствам покрытий из чистого алюминия, получаемых по технологии диффузионного напыления.

1. Покрытие обладает на 3-4 порядка меньшей адсорбционно-десорбционной способностью по отношению к парам воды, кислорода, оксидам углерода, азота, водорода и др. по сравнению со сталью, медью, алюминием, титаном и прочими материалами, используемыми в конструкции лазера.

2. Покрытие из алюминия создает потенциальный барьер для выхода растворенных в металлах газов, особенно водорода, в активную среду лазера.

Эти свойства позволяет достигать особой чистоты активной газовой среды как при заполнении лазера газовой смесью, так и в процессе работы в отпаянном режиме.

3. Благодаря хорошим каталитическим свойствам алюминия покрытие способствует более эффективному восстановлению молекул CO2 при поверхностной рекомбинации. Рекомбинация осуществляется на поверхностях всех внутренних элементов лазера.

Однако наличие канавок внутрирезонаторного селектора мод на внутренней стороне электродов разрядного промежутка, которые так же, как и электроды имеют алюминиевое покрытие, увеличивает площадь каталитической поверхности непосредственно в зоне разряда. Именно в этой зоне образуются возбужденные молекулы и продукты диссоциации молекул, и именно в этой области лазера их концентрация максимальна. Поэтому эффективность каталитической рекомбинации на поверхности в зоне разряда существенно выше, чем на поверхности остальных элементов лазера.

При длине электродов 600 мм и 10 канавках с шириной и глубиной 2 мм площадь каталитической поверхности в зоне разряда увеличивается на 10%.

4. Из-за более совершенной структуры кристаллов покрытий, получаемых при диффузионном напылении, покрытия обладают более высокой отражающей способностью (более низкой степенью черноты) в инфракрасном диапазоне, чем массивный материал и пленки, получаемые традиционными методами напыления. Так, если для алюминиевой пленки, полученной обычным вакуумным напылением при давлении 510-4 Па, коэффициент черноты при комнатной температуре = 0,05, то для алюминиевой пленки, полученной диффузионным напылением, = 0,015, т.е. отражательная способность алюминиевого покрытия в инфракрасном диапазоне при диффузионном напылении примерно в три раза выше.

5. На поверхности алюминиевой пленки при контакте с кислородом образуется плотный слой химически инертного оксида алюминия толщиной около 1 - 3 нм, который обеспечивает сохранение свойств покрытия при длительной эксплуатации, препятствует окислению электродов и, следовательно, способствует сохранению их отражательной способности.

Таким образом, примененное в настоящем изобретении диффузионное покрытие чистым алюминием всех конструктивных элементов лазера, имеющих контакт с активной средой (за исключением зеркал резонатора и выходного окна), приводит к положительному эффекту, заключающемуся в увеличении ресурса работы активной среды лазера в отпаянном режиме и стабилизации отражающих свойств электродов разрядного промежутка. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Газовый лазер щелевого типа с высокочастотным возбуждением, включающий герметичный корпус с активной газовой средой и окном для выхода лазерного излучения, установленные внутри корпуса зеркала резонатора, между которыми размещены расположенные напротив друг друга, подключенные к ВЧ-генератору и образующие разрядный промежуток протяженные, имеющие покрытие электроды с углублениями на обращенных к разряду поверхностях, отличающийся тем, что углубления на поверхности электродов выполнены в виде расположенных в направлении, ортогональном продольной оси электродов разрядного промежутка, канавок, образующих систему пространственных фильтров для селекции мод лазерного излучения, причем геометрические параметры канавок и расстояние между ними выбираются из условия преимущественной генерации моды излучения низшего порядка.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что указанные канавки имеют ширину и глубину 1 - 5 мм и расположены на равных расстояниях от 1/5 до 1/20 длины электродов одна от другой.

3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что покрытие выполнено из пленки чистого алюминия толщиной 1 - 5 мкм и размещено на поверхностях всех элементов лазера, контактных с активной средой, за исключением рабочих поверхностей зеркал резонатора и выходного окна.

4. Лазер по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве пленки алюминия используется пленка, полученная осаждением на напыляемую поверхность при термическом испарении чистого алюминия в потоке испаряемого из жидкой фазы гелия при давлении паров гелия 1 - 10 Па при температуре напыляемой поверхности 300 - 450oC и скорости осаждения алюминиевой пленки на поверхность 1 - 10 монослоев в секунду.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru