RU2009586C1

RU2009586C1 - Helium-neon laser

Info

Publication number: RU2009586C1
Authority: RU
Inventors: В.В. Прасицкий; А.П. Коржавый; Н.В. Лищук; А.В. Рожанец
Original assignee: Научно-исследовательский институт материалов электронной техники
Priority date: 1990-10-16
Filing date: 1990-10-16
Publication date: 1994-03-15

Abstract

FIELD: laser technology. SUBSTANCE: laser has case, cold cathode disposed within the case and made in form of roll of metal sheet. Cathode is attached to laser case by ends of the roll. Laser case forms cathode space. Ends of roll are removed one from another for distance, determined by relation p<d≅ K/j^2/5·p^1/5, where j is current density of the cathode, A/m², P is gas mixture pressure, Pa; d is distance between ends of the roll, mm. K=0,7·10²(A/m³)^2/5·Pa. EFFECT: improved efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве гелий-неоновых лазеров. The invention relates to quantum electronics and can be used in the production of helium-neon lasers.

Известны газовые лазеры с полыми холодными катодами, выполненными в виде бесшовных трубок из алюминиевых сплавов, внутренняя поверхность которых обрабатывается до высокого класса чистоты (8-9) и на ней затем формируется рабочий эмиссионный слой [1] . Gas lasers with hollow cold cathodes made in the form of seamless tubes of aluminum alloys are known, the inner surface of which is processed to a high purity class (8–9) and then a working emission layer is formed on it [1].

В таких лазерах холодные катоды закрепляются при помощи различного рода крепежных элементов непосредственно в катодных полостях. In such lasers, cold cathodes are fixed using various kinds of fasteners directly in the cathode cavities.

Подобная конструкция является наиболее типичной для всех видов газовых лазеров и характеризуется высокой трудоемкостью изготовления и материалоемкостью холодного катода при сравнительно низкой себестоимости алюминиевых сплавов. Наличие упругих крепежных элементов не позволяет изготавливать катод с толщиной стенки, меньшей 1,0 мм, так как в противном случае он не сможет обладать достаточной формоустойчивостью. Such a design is the most typical for all types of gas lasers and is characterized by the high complexity of manufacturing and material consumption of the cold cathode at a relatively low cost of aluminum alloys. The presence of elastic fasteners does not allow to produce a cathode with a wall thickness less than 1.0 mm, because otherwise it will not be able to have sufficient shape stability.

В соответствии с существующей тенденцией увеличения долговечности лазеров и, прежде всего, за счет применения холодного катода из высокочистых материалов типа алюминия А-995-А-999, применение указанной конструкции приводит к удорожанию газового лазера, непроизводительным потерям дефицитного материала. Кроме того, изготовление такого катода из перечисленных материалов, особенно на стадии обработки внутренней поверхности, увеличивает трудоемкость процесса изготовления лазера. In accordance with the current trend of increasing the longevity of lasers, and, first of all, due to the use of a cold cathode made of high-purity materials such as A-995-A-999 aluminum, the use of this design leads to a rise in the cost of a gas laser and unproductive losses of scarce material. In addition, the manufacture of such a cathode from the above materials, especially at the stage of processing the inner surface, increases the complexity of the laser manufacturing process.

Наиболее близкой по технической сути к изобретению является конструкция газового лазера с полым катодом из свернутого металлического листа, примыкающего к стеклянной оболочке лазера [2] . Эта конструкция позволяет отказаться от изготовления катодов методом расточки полостей и от крепежных элементов, так как катод удерживается в катодной полости благодаря наличию упругих сил свертки. Closest to the technical essence of the invention is the design of a gas laser with a hollow cathode of rolled metal sheet adjacent to the glass shell of the laser [2]. This design allows you to abandon the manufacture of cathodes by the method of cavity boring and from fasteners, since the cathode is held in the cathode cavity due to the presence of elastic convolution forces.

Однако применение этого технического решения неприемлемо, так как оно характеризуется двумя существенными недостатками:
- невозможностью применения металлического листа малой толщины, поскольку в этом случае упругие силы станут недостаточными для надежной фиксации катода;
- наличием кромки на шве свертки, находящейся в полости катода непосредственно в зоне действия тлеющего разряда.However, the application of this technical solution is unacceptable, since it is characterized by two significant disadvantages:
- the impossibility of using a metal sheet of small thickness, since in this case the elastic forces will become insufficient for reliable fixation of the cathode;
- the presence of an edge on the seam of the convolution located in the cavity of the cathode directly in the area of the glow discharge.

Ее наличие приводит к локальной концентрации электрического поля, ускоряющего ионы газовой смеси, увеличению энергии и концентрации ионов, бомбардирующих кромку свертки катода и, как следствие, интенсивному распылению материала катода с соответствующим снижением срока службы газового лазера. Its presence leads to a local concentration of the electric field accelerating the ions of the gas mixture, an increase in the energy and concentration of ions that bombard the cathode convolution edge, and, as a result, an intensive sputtering of the cathode material with a corresponding decrease in the life of the gas laser.

Целью изобретения является повышение долговечности и снижение материалоемкости изготовления газового лазера. The aim of the invention is to increase durability and reduce the material consumption of the manufacture of a gas laser.

Цель достигается тем, что в известном газовом лазере, в котором катод выполнен в виде свертки из металлического листа, края свертки прикреплены к корпусу лазера, образующему катодную полость, и отстоят друг от друга на расстоянии d, удовлетворяющем соотношению
0 < d ≅

, где j - плотность тока на катоде, А/м²;
р - давление смеси гелия и неона, Па;
d - расстояние между краями свертки, мм;
K = 0,7·10

· Па^1/5.The goal is achieved in that in the known gas laser, in which the cathode is made in the form of a convolution of a metal sheet, the edges of the convolution are attached to the laser housing forming the cathode cavity and are spaced apart from each other by a distance d satisfying the relation
0 <d ≅

where j is the current density at the cathode, A / m ² ;
p is the pressure of the mixture of helium and neon, Pa;
d is the distance between the edges of the convolution, mm;
K = 0.710

Pa ^1/5 .

Оптимальность размера d объясняется следующим образом. The optimality of size d is explained as follows.

Известно, что искажения электрического поля, вызванные нерегулярностью не заряженной поверхности, распространяются на расстояние, примерно в пять раз превышающее размер нерегулярности. С другой стороны, распыляющие рабочую поверхность катода ионы приобретают энергию, ускоряясь в поле катодного падения потенциала, имеющего протяженность Х_к, зависящую от давления газовой смеси и плотности тока на катоде. Установлено, что усредненная величина Х_к для характерных режимов работы гелий-неоновых лазеров (Р ≈ 266 Па и j = 1,5 А/м²) составляет порядка 4 мм. Это значит, что в прототипе, где толщина выступающей над поверхностью катода кромки шва составляет 0,5-0,8 мм, искажения поля простираются на расстояние 2,5-4 мм, что сравнимо с величиной Х_к и обуславливает существенное увеличение энергии ионов, распыляющих катод. При этом следует особо отметить тот факт, что нерегулярность поверхности в форме выступа приводит к искажениям электрического поля в смысле его усиления, что как раз и наблюдается в прототипе.It is known that distortions of the electric field caused by the irregularity of an uncharged surface extend to a distance of about five times the size of the irregularity. On the other hand, the ions spraying the working surface of the cathode gain energy by accelerating in the field of cathodic potential drop, having a length of X _k , depending on the pressure of the gas mixture and the current density at the cathode. It was found that the averaged value of X _k for the characteristic operating modes of helium-neon lasers (P ≈ 266 Pa and j = 1.5 A / m ² ) is about 4 mm. This means that in the prototype, where the thickness of the weld edge protruding above the cathode surface is 0.5-0.8 mm, the field distortions extend over a distance of 2.5-4 mm, which is comparable to the value of X _k and causes a significant increase in ion energy, atomizing cathode. It should be noted in particular that the irregularity of the surface in the form of a protrusion leads to distortions of the electric field in the sense of its amplification, which is exactly what is observed in the prototype.

Поскольку в предложенной конструкции края свертки, образующей катод, находятся на расстоянии d друг от друга, то это эквивалентно наличию щели на поверхности катода. В этом случае искажения электрического поля выражаются в его ослаблении над поверхностью, т. е. энергия распыляющих ионов в указанной области снижается по сравнению с таковой для выступа кромки шва, что и обеспечивает минимальное распыление катода. Since in the proposed design the edges of the convolution forming the cathode are at a distance d from each other, this is equivalent to the presence of a gap on the surface of the cathode. In this case, the distortions of the electric field are expressed in its weakening above the surface, i.e., the energy of the sputtering ions in this region decreases compared with that for the protrusion of the weld edge, which ensures minimal cathode sputtering.

Эксперименты показали, что если расстояние между краями листа d меньше Х_к, то разряд не горит на края образованного путем его свертывания холодного катода. При d < 0,5 Х_к разряд между краями фольги вообще не возникает.The experiments showed that if the distance between the edges of the sheet d is less than X _k , then the discharge does not burn at the edges of the cold cathode formed by coagulation. At d <0.5 X _{k, a} discharge between the edges of the foil does not occur at all.

Установлено, что для неравенства, оптимизирующего d, коэффициент пропорциональности К равен
K= 0,7˙10^-2(A/м²)^2/5˙Па^1/5.It is established that for the inequality optimizing d, the proportionality coefficient K is equal to
K = 0.7˙10 ^-2 (A / m ² ) ^2/5 ˙Pa ^1/5 .

На чертеже показан фрагмент газового лазера, объясняющий сущность изобретения. The drawing shows a fragment of a gas laser explaining the invention.

В корпусе газового лазера 1 расположен катод 2, выполненный в виде свертки из металлического листа. При этом края свертки отстоят друг от друга на расстоянии d. In the body of the gas laser 1 is a cathode 2, made in the form of a convolution of a metal sheet. In this case, the edges of the convolution are separated from each other by a distance d.

Пример изготовления газового лазера. An example of a gas laser.

Известными методами изготавливают разрядный капилляр длиной 800 мм и внутренним диаметром 5 мм и другие детали стеклянного газового лазера, в том числе и штенгель. Known methods are used to make a discharge capillary 800 mm long and an inner diameter of 5 mm and other details of a glass gas laser, including a shtangel.

Отрезают трубу из стекла марки М52 диаметром 46 мм и длиной 280 мм. Производят ее отжиг и технохимическую очистку. Вырезают из алюминиевой фольги (А-995) и толщиной 0,2 мм заготовку катода длиной 200 мм и шириной 144 мм, закладывая тем самым нужное расстояние d при раскрое. Заготовку фольги вставляют внутрь стеклянной трубы и поджимают ее к поверхности с помощью полированной втулки. К наружной поверхности трубы подводят электрод из медной сетки. Полученную сборку помещают в печь, нагревают до 250-400^оС и прикладывают между медной сеткой и втулкой электрическое поле напряжением 400-800 В. По истечении 10-15 мин поле снимают. За счет действия электростатических сил в процессе приложения поля фольга надежно сваривается со стеклянной подложкой лазера. Стеклянную трубку с приваренной таким образом фольгой вынимают из печи и охлаждают до комнатной температуры, после чего извлекают втулку. Полученную часть корпуса с катодной фольгой приваривают к остальной части корпуса лазера, вваривают капилляр с анодным выводом и присоединяют токоподвод к катоду. На торцы прибора крепят оптические элементы. Через штенгель напаивают лазер на откачной пост.A pipe is cut from glass of the M52 brand with a diameter of 46 mm and a length of 280 mm. Produce its annealing and technological cleaning. Cut out of aluminum foil (A-995) and a thickness of 0.2 mm, the cathode blank 200 mm long and 144 mm wide, thereby laying the desired distance d when cutting. The foil blank is inserted into the glass tube and pressed to the surface with a polished sleeve. An electrode from a copper mesh is brought to the outer surface of the pipe. The resulting assembly was placed in an oven heated to 250-400 ^{° C} and is applied between the copper grid and sleeve electric field voltage of 400-800 V. After 10-15 min the field is removed. Due to the action of electrostatic forces during the application of the field, the foil is reliably welded to the glass substrate of the laser. The glass tube with the foil so welded is removed from the oven and cooled to room temperature, after which the sleeve is removed. The resulting part of the casing with a cathode foil is welded to the rest of the laser casing, a capillary with an anode terminal is welded in and a current lead is connected to the cathode. Optical elements are attached to the ends of the device. A laser is fed through a plug to a pumping station.

Вакуумно-термическую обработку газового лазера с холодным катодом производят по известной технологии. По завершении обработки лазер выполняют гелий-неоновой смесью до давления 266 Па и отпаивают. Vacuum-thermal treatment of a cold cathode gas laser is carried out according to known technology. Upon completion of processing, the laser is performed with a helium-neon mixture to a pressure of 266 Pa and soldered.

Работает газовый лазер следующим образом. The gas laser operates as follows.

При подаче электрического напряжения между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд в рабочей газовой смеси и возникает генерация колебаний на частоте, обусловленной параметрами оптического резонатора, рабочего газа и капилляра. When an electrical voltage is applied between the cathode and the anode, a glow discharge is ignited in the working gas mixture and oscillation occurs at a frequency due to the parameters of the optical resonator, working gas and capillary.

Разрядный ток, необходимый для получения генерации, обеспечивается эмиссией электронов из катода вследствие процесса ионноэлектронной эмиссии. Ионы рабочего газа, образовавшиеся в прикатодной области разряда, попадают на его поверхность, ускоряясь под воздействием катодного падения потенциала. При этом ионы, движущиеся к катоду в области щели, ускоряются меньше, т. е. производят меньший эффект распыления, благодаря чему общая долговечность лазера увеличивается. (56) Патент США N 3860310, кл. 331-94.5, 1975. The discharge current necessary to obtain generation is ensured by the emission of electrons from the cathode due to the process of ion-electron emission. Ions of the working gas formed in the cathode region of the discharge fall on its surface, accelerating under the influence of a cathodic potential drop. In this case, ions moving toward the cathode in the region of the gap accelerate less, i.e., produce a smaller sputtering effect, due to which the total laser durability increases. (56) U.S. Patent No. 3,860,310, cl. 331-94.5, 1975.

Патент ФРГ N 2506842, кл. H 01 S 3/097, 1976. Germany patent N 2506842, class H 01 S 3/097, 1976.

Claims

A HELIUM-NEON LASER containing a housing in which a cathode cavity is formed and a cold cathode is arranged, made in the form of a convolution of a metal sheet, characterized in that, in order to increase durability and reduce material consumption, the edges of the convolution are attached to the laser body forming the cathode cavity, and are separated from each other at a distance d satisfying the relation
0 <d ≅

/
where j is the density of the discharge current at the cathode, A / m ² ;
P is the pressure of the mixture of helium and neon, Pa;
d is the distance between the edges of the convolution, mm;
K = 0.7 · 10 ^-2 (A / m ² ) ^2/5 · Pa ^1/5 .