О.К. Ильина, Г.А. Мачулка, Л.А. Перова

СЕРИЯ   ОКГ   НА   УГЛЕКИСЛОМ   ГАЗЕ  НА   ОСНОВЕ   БАЗОВОЙ   КОНСТРУКЦИИ   ТИПА   ЛГ-17

Описано устройство и характеристики промышленной конструкции ОКГ на углекислом газе с воздушным охлаждением типа ЛГ-17, а также несколько модификаций этого прибора мощностью до 30 Вт в непрерывном режиме, предназначенных для использования в различных технологических устройствах.

Как известно, ОКГ на углекислом газе был изобретен в 1964 г. За прошедшее время создано множество конструкций этого прибора. Свойства и характеристики их показали, что по мощности излучения в непрерывном режиме, относительной простоте конструкции и эксплуатации, а также по некоторым другим параметрам ОКГ на углекислом газе имеет большие преимущества перед другими типами ОКГ. Однако до настоящего времени не было создано промышленной конструкции такого прибора, предназначенной для широкого применения. По нашему мнению, это является следствием двух основных причин. Во-первых, хотя в большом количестве теоретических и экспериментальных работ была показана возможность широкого использования ОКГ на углекислом газе в самых различных областях науки, техники и народного хозяйства, однако действующих устройств с использованием такого ОКГ до последнего времени не было создано. Следовательно, нельзя было выяснить полный комплекс требований к ОКГ на СО₂, который позволил бы поставить серьезную конструкторско-технологическую работу по созданию промышленной конструкции.
Во-вторых, до последнего времени не была достаточно серьезно решена задача вывода мощности излучения из оптического резонатора ОКГ на СО₂. В большинстве известных конструкций лазерный луч диапазона 10,6 мкм выводится через окна из водорастворимых кристаллов (NaCl, КCl, КВr и т. п.), приклеиваемые к торцам газоразрядных трубок. Водорастворимые кристаллы обладают тепловым расширением, примерно на порядок превышающим тепловое расширение всех конструкционных материалов, из которых обычно изготовляется газоразрядная трубка ОКГ. В результате даже использование специальных вакуумноплотных и пластичных клеев не позволяет обеспечить достаточную герметичность соединений [2]. В некоторых случаях в качестве выходных окон использовались пластины из монокристаллов кремния, германия и т. п. материалов, прозрачных в рабочем диапазоне ОКГ, которые также приклеивались к газоразрядной трубке. Как показывает опыт, несмотря на достаточно удовлетворительное согласование терморасширения склеиваемых материалов, и в этом случае не удается обеспечить достаточную надежность и долговечность отпаянных газоразрядных трубок ОКГ на СО₂.
Указанные обстоятельства были учтены при создании описанных далее ОКГ. Эти приборы предназначены для использования в исследовательских целях (исследование свойств и неоднородностей атмосферы, диагностика плазмы, метрика, исследование и разработка оптических материалов инфракрасного диапазона, разработка систем управления, связи, оптической локации и т. д.). ОКГ типа ЛГ-17 обеспечивает мощность не менее 5 Вт в непрерывном режиме к концу срока службы порядка 1000 ч. Диаметр луча на выходе (около 2 мм) позволяет использовать этот ОКГ вместе с электрооптическим модулятором типа МЛ-7. Тип ЛГ-17 имеет две модификации — с воздушным и с жидкостным охлаждением.
Модификация с воздушным охлаждением может использоваться в полигонных условиях в широком диапазоне изменения внешних условий. Модификация с жидкостным охлаждением обеспечивает более высокую стабильность параметров и удобна для лабораторных исследований.
Еще один, более мощный вариант ОКГ может применяться в медицине (бескровная хирургия) и в технологических целях (для резки стекла методом создания термонапряжения [3], для изготовления типографских печатных форм [4] и форм грамзаписи, для подгонки непроволочных сопротивлений, резки и раскроя тканей, пластмасс и т. д.). Некоторые из указанных применений были исследованы, что позволило разработать достаточно полный комплекс технических требований к ОКГ.
Во всех модификациях вывод энергии излучения осуществляется через пластину из германия или арсенида галлия (в зависимости от мощности излучения), которая припаяна к газоразрядной трубке через коваровую манжету припоем, гарантирующим полную герметичность и сохранение исходного состава рабочего газа в течение длительного срока службы и хранения. Решение проблемы выходного окна и выбор перспективных областей применения позволили создать базовую конструкцию ОКГ на СО₂ средней мощности для широкого применения.
Далее приводятся основные особенности и важнейшие характеристики трех типов ОКГ на СО₂: модификации с воздушным и жидкостным охлаждением, а также модификации для технологического применения, которые имеют практически одинаковую конструкцию и близкие свойства.
Общий вид ОКГ типа ЛГ-17 и источника питания показан на рис. 1.

Рис. 1. ОКГ на углекислом газе типа ЛГ-17 с источником питания

Собственно лазер состоит «из механической арматуры с двумя рейтерами, позволяющими монтировать ОКГ на оптической скамье или на любой другой опорной плоскости, и газоразрядной трубки. Основой механической арматуры служат суперинваровые стержни диаметром 20 мм, скрепленные двумя фланцами из нержавеющей стали. На этих фланцах укреплены юстировочные механизмы в виде пары скошенных колец, взаимное положение которых, выбранное при юстировке, фиксируется тремя подпружиненными винтами. К юстировочным механизмам крепится стеклянная газоразрядная трубка.
Конструкция газоразрядной трубки показана на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция газоразрядной трубки ОКГ типа ЛГ-17 с внутренними зеркалами оптического резонатора:
1 - полностью отражающее зеркало
2 - выходное зеркало.

К трубке приварены два резервных баллона объемом около 0,75 л, в которых размещены электроды в виде скошенных конусов из ниобия. К концам рабочей части трубки припаяпы каваровые конусы, к которым через гибкие металлические манжеты приварены зеркала оптического резонатора.
Полностью отражающее зеркало радиусом 2 м изготовлено из стали марки ХВГ, предварительно уплотненной на 50 % и закаленной. Рабочая сфера его покрыта золотом. Плоское выходное зеркало изготовлено из высокоомного (более 40 Ом*см) монокристаллического германия. Внутренняя поверхность его за исключением круглой центральной части диаметром 2,5 мм, служащей для вывода луча, покрыта золотом; наружная поверхность просветлена сернистым цинком. Коэффициент отражения этого зеркала составляет 92—93 %. Германиевая пластина припаяна к поддерживающей ее гибкой манжете через коваровую тарелочку толщиной 0,3 мм. Выходное зеркало, как и полностью отражающее, с наружной стороны заканчивается резьбовой втулкой, с помощью которой газоразрядная трубка свободно крепится в юстировочном механизме арматуры.
Диаметр луча непосредственно за выходным окном несколько меньше 2 мм. Расходимость луча по уровню половинной мощности составляет 4,4 мрад. Рабочим видом колебаний ОКГ ЛГ-17 являются колебания типа ТЕМ_10q или TEM_01q. Было установлено, что в результате вибраций, вызванных вентиляторами воздушного охлаждения, в спектре излучения этого ОКГ наблюдаются три линии вращательно-колебательных переходов молекулы СО₂: P₁₈, Р₂₀ и Р₂₂ , а иногда две из них.
Рабочим составом газоразрядной трубки является смесь газов СО₂, Не, N₂, Н₂ и О₂ в соотношении 1,5 : 11,2 : 2,5 : 0,2 : 0,1 при общем давлении около 12 мм рт. ст. Обезгаживание трубки производится путем прогрева в поле высокочастотного генератора в течение примерно 3 ч и последующей обработки разрядом в рабочем режиме с 4- 5-кратной сменой рабочей смеси газов в течение 10—15 ч.
Питание ОКГ осуществляется от стабилизированного по току выпрямителя, который обеспечивает выходное напряжение, изменяющееся в пределах от 5,5 до 7,5 кВ при изменении тока от 20 до 30 мА, а также напряжение поджига в начальный момент включения до 14 кВ. Стабильность величины тока — не менее 0,1 %. При возбуждении таким источником мощность прибора в процессе непрерывной эксплуатации изменяется не более чем в 2 раза.
Конструкция ОКГ с внутренними зеркалами оптического резонатора не обеспечивает линейной поляризации излучения. В связи с этим предусмотрена возможность в случае необходимости вводить в газоразрядную трубку специальную пластину из водорастворимого кристалла (рис. 3).

Рис. 3. Конструкция германиевого выходного зеркала ОКГ ЛГ-17 с поляризационной пластиной 1 (показан также штуцер 2 для присоединения водяного охлаждения).

Так как в описываемой конструкции не требуется вакуумноплотного сочленения поляризующей пластины с газоразрядной трубкой, а сама пластина изолирована от внешнего воздействия, то надежность и долговечность ОКГ в этом случае сохраняются.
Следует заметить, что при введении поляризационной пластины мощность излучения ОКГ несколько снижается. Кроме того, при длительной эксплуатации на максимальном уровне мощности излучения пластина иногда разрушается. При этом мощность излучения заметно снижается, но работоспособность ОКГ сохраняется.
Как известно, в ОКГ на углекислом газе с отпаянной газоразрядной трубкой состав рабочего газа в процессе работы изменяется, главным образом, из-за того, что кислород, выделяющийся при разложении СО₂, связывается на поверхности металлических электродов. В ОКГ ЛГ-17 уже после 220 ч работы мощность излучения начинает уменьшаться, а после 500 ч уменьшается почти вдвое (кривая 1 рис. 4).

Рис. 4. Зависимость мощности излучения от срока службы t ОКГ ЛГ-17: 1 — ОКГ обычной конструкции; 2 —ОКГ, газоразрядная трубка которого снабжена цеолитовым освежителем рабочей смеси газов. В обоих случаях испытания были прекращены из-за дальнейшей нецелесообразности.

Для обеспечения более длительного срока службы нами была использована идея освежения рабочей смеси тазов, высказанная в [5].
Автор [5] предложил вводить в газоразрядную трубку гранулу цеолита, предварительно пропитанного водой. Нами была проведена длительная проверка этой идеи. Подробные результаты будут опубликованы после ее полного завершения. Здесь же следует отметить, что введение гранул с цеолитом, пропитанных только водой, не дало заметных результатов. В последних образцах ОКГ ЛГ-17 с водяным охлаждением газоразрядная трубка снабжается ампулой с цеолитом весом около 1 г, предварительно пропитанным, кроме воды, всеми другими газами, входящими в состав рабочей смеси. Такой прием позволил обеспечить практически неизменную мощность в течение ~ 1000 ч (кривая 2 рис. 4).
Нужно сказать, что резервный объем порядка 0,75 л является достаточно малым. Увеличив его, а также оптимизировав состав и давление смеси газов и паров, которыми должна предварительно наполняться ампула с цеолитом, по-видимому, можно довести срок службы ОКГ на СО₂ до многих тысяч часов.
Конструктивно модификации с воздушным и жидкостным охлаждением идентичны за исключением того, что в нижней части арматуры ОКГ с воздушным охлаждением укреплены три воздушных вентилятора, охлаждающих рабочую часть трубки. Выпрямитель питания электродвигателей вентиляторов смонтирован вместе с источником питания ОКГ.
ОКГ ЛГ-17 с воздушным охлаждением обеспечивает мощность излучения порядка 8—12 Вт в непрерывном режиме. Максимальная мощность достигается при разрядном токе 25—28 мА (рис. 5). При этом падение напряжения на трубке равно примерно 7 кВ.

Рис. 5. Вольтамперные характеристики (сплошная линия) и зависимость мощности излучения от величины разрядного тока (пунктирная линия):
1 — модификация с воздушным охлаждением
2 — модификация с водяным охлаждением
3 — технологический вариант.

В модификации с водяным охлаждением рубашка водяного охлаждения располагается на рабочей части газоразрядной трубки и на выходном окне. При воздушном охлаждении температура наружной стенки газоразрядной трубки достигает 80—100°С. При водяном охлаждении она снижается до 10—30 °С, в результате чего мощность излучения возрастает на 20—30 %. Изменяется также оптимальное значение рабочего тока. Как можно видеть на рис. 5, максимум мощности сдвинут в сторону более высоких значений разрядного тока. В случае водяного охлаждения заметно повышается стабильность мощности излучения. В лабораторных условиях она меняется не более чем на 10—20 %. Кроме того, исследования с помощью спектрофотометра показали, что при водяном охлаждении можно обеспечить стабильную генерацию на одной линии излучения в течение нескольких часов непрерывной работы.
Технологический вариант ОКГ (рис. 6) мало чем отличается от ЛГ-17 с водяным охлаждением за исключением длины и усовершенствованного выходного зеркала.

Рис. 6. Технологический вариант ОКГ ЛГ-17, обеспечивающий мощность излучения не менее 25 Вт, с источником питания СИТ-24.

Такие ОКГ использованы в лазерной установке для резки стеклопрофилита [3], в лазерной гравировальной установке [4] и в других технологических устройствах различного назначения.
Длина разрядной части газоразрядной трубки составляет 1000 мм, что привело к увеличению габаритной длины ОКГ до 1380 мм. Что касается зеркала, то, как было установлено, описанная выше конструкция выдерживает мощность излучения не более 18—20 Вт (плотность мощности 800—1 000 Вт/см²). При большей мощности из-за резкого роста потерь в германии с повышением температуры оно нагревается до температуры расплавления припоя. Поэтому в технологическом варианте ОКГ выходное зеркало сделано из арсенида галлия с такими же покрытиями, что и описанная германиевая пластина. Пайка его производится более тугоплавким припоем. Это обеспечило надежность газоразрядной трубки при повышении мощности излучения до 25—30 Вт (в зависимости от качества обработки зеркал).
Замена выходного зеркала описанной конструкции на германиевое зеркало с диэлектрическим отражающим покрытием с коэффициентом отражения 88—90 % позволила повысить мощность лазера до 40 Вт.
Оптимальный рабочий ток этого варианта ЛГ-17 лежит в пределах 35—50 мА (кривые 3 рис. 5) в зависимости от состава рабочей смеси газов и вида колебаний оптического резонатора. С целью повышения мощности излучения давление газов увеличено до 15 мм рт. ст. (при сохранении соотношения давлений всех газов). Питание прибора осуществляется от более мощного стабилизированного источника, в котором с целью повышения надежности применена индуктивно-емкостная схема стабилизации тока вместо ранее использовавшейся ламповой.
Предусмотрена возможность при необходимости вводить в трубку поляризационную пластину из арсенида галлия (водорастворимые кристаллы непригодны из-за большой плотности мощности излучения).
Как уже упоминалось, использование выходного зеркала с центральным отверстием приводит к возбуждению ОКГ на одном из поперечных видов колебаний, в основном типа ТЕМ_01q. Чтобы обеспечить возбуждение только продольных видов колебаний типа TEM_00q, нами были использованы результаты работы [6]. С этой целью применено выходное зеркало из германия или арсенида галлия с многослойным диэлектрическим отражающим покрытием в виде напыленных в вакууме трех пар слоев ZnS и NaF. Благодаря этому при просветлении наружной поверхности отражение составляет 70—85 %. На центральную часть такого зеркала наносится золотое покрытие в виде круга диаметром 3,5 мм. При радиусе кривизны полностью отражающего зеркала 1,5 м это обеспечивает устойчивую работу технологического варианта ОКГ на продольном виде колебаний при мощности излучения около 20 Вт. Луч такого ОКГ вблизи выходного окна имеет вид кольца диаметром ~ 5 мм. На расстоянии ~ 0,5 м от окна луч превращается в сплошной круглый, с дифракционной расходимостью.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Patel С.К. Phys. Rev. Letts., 1964, № 12, p. 588.

2. Peele J. R., Whitney W.T. Report NRL Progress, 1968, July, p. 42.

3. Большов В.Ф., Гурьянов В.М, Мачулка Г.А., Муратова Л.П. В сб. «Квантовая электроника». Изд-во «Советское радио», 1971, № 6,  стр. 84.

4. Куклев Ю.И., Мачулка Г.А. В сб. «Квантовая электроника». Изд-во  «Советское радио», 1971, № 6, стр. 86.

5. Witteman W.J. IEEE J. Quantum Electronics, 1968, vol. QE-4, № 11,  p. 786.

6. Nakasuji M., Ohtsuka Y. Japanese J. AppL Phys., 1967, vol. 6, p. 1305.