ZAPRTI MINI TEA CO2 LASER ZA UPORABE V MERILNI TEHNIKI
Jožef Hozjan, Iskra Elektrooptika d.d., 61000 Ljubljana. Stegne 7
SEALED-OFF MINI TEA CO2 LASER FOR METROLOGY APPLICATIONS
ABSTRACT
Seal«4-0f min« TEA CO^ las«f is pres^ntad whtch « suitable for rretfoJo^ical applications m IR techniques and optics, for laser rangefinQer? ancf for measurements In inoleeuiar spectroscopy. Seaie4-oR laser system mak«s possiM autonomous ana long life o(3eratlon and its use m different rreasuremer>t systems
POVZETEK
Prsdstavtjen js zaprti mini TEA C03 laserski izvtr, primeren za upocaDo V razdaijemenfi, z& medtve v IR lehniki in IR optiki in za msrilv« v mol^ularnl spektroskopiji. Zaradi čim $irža možne upofaDe v ta2]i6iih merilnih sistemih je plin v laserju zaprt in delovanje avwnomno in dolgotrajno.
CO2 LASER
Tako kot vsi drugi, tudi CO2 laserji porabljajo električno energijo in oddajajo manj moči v obliki sevanja. Ta laserska svetloba Ima valovne dolžine oknsg 10 mikrometrov. Razlika med vhodno in izhodno močjo je odvečr^a toplota, ki jo je potrebno odvesti. Za povečanje izhodne energije je potrebna večja vhodna energija, vendar tehnične in fizikalne ovire omejujejo količino vložene energije. Izbira načina hlajenja pomeni tudi izbiro določenega tipa faserja, kot so sistemi: zaprti, hitropretočni m pulzni.
CO2 laser deluje z izmenjavo energije med nizko ležečimi vibracijsko*rotacijskimi energijskimi nivoji molekule CO2 (slika 1). Molekule z višjim energijskim stanjem prehajajo s sevanjem v vibracijske energijske nivoje z niŽjo energijo. Energijska razlika med zaomjim in sDodnilm nivoiem se konvedira v

(011)
1:1
O . ?
T4bri(i|i( *a«t)i IirI
C^ «Sfifl*ifl lt>(i|« (I^QI] N|«Si«rflO
Slika 1. Diagram energijskih nivoj&v CO2 laserja
infrardeče sevanje. Zgornji nivoji so vzbujani z električno razelektritvijo iz osnovnega stanja ali z resonančnim prehodom 2 vibracijsko vzbujenega dušika, V obeh primerih je vhodna energija najmanj energija zgornjega nivoja. Po energijskem diagramu je maksimalni možni izkoristek 38%. To je le teoretična limita, ki je noben CO2 laser ne doseže. Zefo dobro izgrajeni sistemi dosežejo maksimalno 20% vložene energije.
Laserski proces v CO2 laserjih je občutljiv na temperaturo plinskih molekul v razelektritvi» to je v aktivnem sredstvu, kar dodatno zmanjšuje izkoristek. Večje vlaganje moči v plin dviguje njegovo tempera* turo in s tem tudi termalno populacijo nižjega laserskega nivoja. Posledica je večja izguba sevanja zaradi apsorpcije v nižjih nivojih. V praksi se to opazi tako, da se z večanjem vložene energije najprej opazi naraščanje izhodne moči do določenega nivoja, ko temperatura plina doseže več kot 150®C, pa izhodna moč začne padati.
Zmožnosti sistema so torej v celoti odvisne od načina odvajanja odvečne toplote iz sistema. Za to obstajajo tri osnovne metode. Najenostavnejša je uporaba toplotno prevodnega plina. Škodljiva odvečna toplota se odvede na hlajene stene posege, v kateri se nahaja razelektritev. S tako metodo so hlajeni kontinuirni laserski sistemi z izhodno močjo 100 W ali manj. Pri dnjgi metodi plin sam odvaja svojo lastno toploto s hitrim pretakanjem. To so tako imenovani hitropretočni sistemi, ki delujejo v kilovatnem območju. Tretja metoda izkorišča prednost toplotne kapacitete aktivnega sredstva. Uporabna je v pulznih sistemih pri višjih tlakih. Maksimalna vložena energija, spet je omejena s temperaturo plina, je cca 300 J na liter laserskega plina pn atmosferskem tlaku. Izhodna energija je petem okrog 40 J. Obe, vhodna in izhodna energija, pa sta proporcionalni gostoti plma.
PULZNI SISTEMI
Problem odvečne toplote v pulznih sistemih rešuje torej toplotna kapaciteta samega aktivnega sredsNa. Ker je toplotna kapaciteta proporcionalna gostoti aktivnega sredstva, je prav tako maksimalna izhodna energija v pulzu proporcionalna gostoti.
Trajanje pulza je v največji meri določeno z relaksacijskimi časi vzbujenih molekul Ker ti časi postajajo krajši pri višjih tlakih, je dolžina laserskega pulza prav tako odvisna od tlaka plma. Rezultat tega je. da je izhodna moč v vrhu proporcionalna s kvadratom tlaka. Pn viSjih tlakih laserskega pNna se tako dosežejo laserski pulzi z večjo energijo, z večjo močjo in s krajšo dolžino. Za nfžje tlake plina je nomialna stabilna, uniformna razelektritev. Pri višjih
tlakih jo je veliko težje doječi. Ko tlak naraš6a, preide razelektritev pri cca 66 mbar Iz unifc»^mne v obliki sija ali žara v nekontrolirano iskrenje. Taksne razelektritve pa so nestabilne» nehomogene in neprimerne za učinkovito vzbujanje molekularnih laserjev.
Elektromagnetno polje v razelektritvi je določeno z ravnotežjem med energijo poepe^enja elektronov v električnem polju in energijo, ki jo elektroni izgubijo s trki, zato je polje inverzno proporcionalno prosti poti elektronov, to je sorazmerno gostoti. Za aksialne sisteme to pomeni uporabo izredno visokih napetosti, kar je zelo nepraktično. Pri transverzalno vzbujani razelektritvi, to je prečno na laserski žarek, so napetosti mnogo manjše. Prav tako je v tem primeru mnogo lažje ustvariti pogoje za stabilne razelektritve v sjju ali žaru.
OSNOVNI PRINCIPI DELOVANJA TEA CO2 LASERJA
O prvih transverzalno ekscitiranih plinskih laserjih pri atmosferskem tlaku {od tod ime T£A) so poročali francoski in kanadski znanstveniki /1, 2/. Odkrili so tehniko, kako vzdrževati stabilne razelektritve v obliki žara v mešanici COg'Nz'He pri normalnem tlaku. Napredek v tehniki vzbujanja je vodil od primitivnih metod omejevanja toka z upori do zelo izpopolnjenih UV*predioniziranih razelektritev in tehnik z e(eiek-tronskimi) žarki. Izboljlane metode so prispevale k večji gostoti moči in k večji celotni izhodni moči iz velikih volumnov.
Osnovni parameter za procese v plazmi v kvazi-stadonamem režimu je razmerje med električnim poljem E in gostoto plir^ N. Ta parameter E/N je različen za različno pred ionizirane sisteme (UV ali e*žarek). Osnovna razlika med dvema tehnikama je stopnja ionizacije producirana z ionizacijskim izvi* rom. V UV-predioniziranih sistemih ima razelektritev na začetku nizko elektronsko gostoto (10'^<n<10^ cm*^. V uporabljenem električnem polju se začetni elektroni pospelijo do energije, ki zadošča za nadaljnjo ionizacijo razelektritve Vrednost E/N je torej zadosti visc^, da v razelektritvi poveča ionizacijski plaz, dokler ni dosežena kvazi*stacio-nama elekü^nska gostota. To je takoimenovena "samovzdrževana" razelektritev. V primeru tehnike z e-žarkom se ionizacija, ki naj vzdrluje razelektritev, producira z zunanjim elektronskim žarkom. Ta teh»
nika uporablja visokoenergijske elektrone (100-200 keV). Uporabljeno električno polje ali vrednost &N je relativno majhno in praktično ne povzroča nadaljnje ionizacije. razelektritev ni "samovzdrževana". Velika prednost te tehnike je njena fleksibilnost in taka izbira električnega polja in plinske mešanice, da je izkoristek vzbujanja vibracijskih stanj z elektroni maksimalen. Prav tako je z njo možno realizirati vAlike sisteme pri multiatmosferskih tlakih. Pomanjkljivost e-žari<ovne tehnike je cena in kompleksnost v primerjavi z UV sistemi. UV-predionizacija je zelo primerna za majhne sisteme.
PREDIONIZACIJA
Predion i zacija je torej del razelektritve in predhodnica glavne razelektritve. Potrebna je za produkcijo zadostnega števila nosilcev natMja. ki zagotCMjo velik volumen glavne razelektritve v obliki žara in z veliko prostorsko uniformnostjo. Osnovna zahteva je, da zadostna gostota predion izi rani h elektronov s prostorsko difuzijo tako imenovanih primarnih plazov zmanjša prostorski naboj ali polje gradientov do te mere, da pride do razelektritve v žar namesto v preboj. Minimalna zahtevana elektronska gostota za TEA lasersko razelektritev je lO^/cm^, Če je predionizacijsko vezje počasno, to je induktivno, je potrebno glavno razelektritev zakasniti, dokler se ne vzpostavi zahtevana minimalna elektronska gostota.
V razvoju pred ionizacije za naš laserski sistem smo šli skozi več razvojnih faz. osnova vsem pa je UV-predionizadja. Naloga je bila razviti UV predioni-zacijo z maksimalnim izkoristkom.
PREDIONIZACIJA S KORONO
Eksperimentiranje s predi on tzacijo je pokazalo, da je pred ionizacija s korono zelo učinkovita in konstrukcijsko manj zahtevna. Izraz korona se često nanaša na fenomen, ki nastane v plinskem mediju v okolici prevodnikov z majhnim radijem, ki so na visoki napetosti. Močno električne polje na včasih neuniformni površini povzroča parcialne razelektritve v plinu Iz bližnje okolice. Podobno stanje se vzpostavi, ko je v močnem električnem polju plošča iz dielektrika. Polje dielektrično ploščo polarrzira in na njem površini se vzpostavi močno električno polje. To polje prav tako povzroča korono in s tem parcialne razelektriNe v plinu v bližnji okoltci dielektrika (slika 2).
DIELEKTRIK
ANODA

/ / ITT'i \
vyi?* / I f I n \
' f ; I ? i 1
, i i i I i šu »w-
i i I i j i • I I I I ; «^rtv
vw» ^ LI i f /.'
KATOOA
PODALJŠEK ^ KATODE
Slika 2. ÜV predionizaciß s korofto
Slika 2 prikazuje presek laserskega pnsstora pravokotno na optično os. Oblika profile anode m katode omogoča uniformno porazdelitev električnega polja po njunih površinah. V trenutku, ko iz električnega vezja pnpeljemo na elektrodi vise*
konapetostni pulz» Sd med njima vzpostavi močno električno polje. Kovinski podaljšek s katode na vsaki strani obdaja dielektrični plodči, KI sta v direktnem stiku z anodo. Med delovanjem visokonapetostnega pulza sta oba dielektrika izpostavljena zelo močnemu električnemu polju. Postaneta polariz* i rana, kot prikazuje slika 2. Na ta način visoka napetost na površini dielektrika ustvarja površinsko razelektritev s korono.
Tako formirane ione iz plina privlačijo dielektrične plošče, Istočasno pa se formirajo tudi elektroni v plinski plasti ob dielektriku» še posebej pa v reži med dielektrikom in anodo. Ob zadostnem številu elektronov v plinu se pojavijo majhni tokovi, ki se hitro razvijejo v tokovne plazove. Zaradi neprevod* nosti dielektrika je površinski naboj v smeri optične osi uniformen. Plazma, ki nastane v bližini dielek-trlčnih plošč, formira kanal z dolžino elektrod in s tem glavno razelektritev - tok z anode na katodo.
Hitra sprememba toka zahteva napajalno vezje z nizko induktivnostjo, zaradi začetnega naraščanja toke
dt
(1)
kjer je U delovna napetost in L induMIvnost vezja. Tok ne sme biti previsok. V primeru, ko je U/L> V/H. sevanje, izhajajoče iz plazme, segreje in upari površino dielektrika ali na njegovo površino napari katodni material in ustvari prevodno plast. Za lasersko delovanje je ustreznejši režim razelektritve, ko je U/KIO^ö V/H /3/.
Slika 3 prikazuje časovni potek oblike predionizaci-jske razelektritve s korono in glavne razelektritve za primer TEA COz laserja.
primerno porazdelitev toka v oba puiza. Ce predionizacijsKi tokovni pulz oddaja več svetlobe, kot je potrebno, je predionizacijska energija prevelika na ra^n glavne razelektritve, ki skrbi za vzbujanje laserja. Velikost toka v vsakem Izmed pulzov je odvisna od več fizikalnih parametrov: dielektričnega materiala, dolžine dielektrika med anodo in katodo, debeline dielektrika, vrednosti V/L za vezje, tlaka in sestave plina. Za vsak laser te vrednosti določimo eksperimentalno.
Raziskava spektra korone v čistem CO2 kaze zelo majhne intenzitete svetlobe /3/. V primerjavi s tem vsebuje spekter korone v čistem Nz znatno večjo Intenziteto svetlobe v območju 100 do 200 nm. Merjenje apsorpcije v COg je pokazalo zelo močno apsorpcijo svetlobe pod 115 nm. Ta potem pade na nekaj cm '' bar^ v 10 nm pasu, centriranem okrog 120 nm. Nad 120 nm apsorpcija močno naraste, nato pe spet pade na 2 cm*^ bart pri 160 nm m se zmanjšuje, dokler pri 195 nm ne pade na zanemarljive vrednosti /4/. Torej samo fotoni v oknih 117nm <>.<124 nm in X>160 nm lahko zadostno penetrirajo skozi COz. To je v skladu z ugotovitvami Kaminskega /3/, da so s CO2 bogate mešanice slabo UV aktivne pod 155 nm v primerjavi s tistimi s koncentracijo COg 10% ah manj. To je glavni razlog, zakaj s korono predlonizirani CO2 laserji dajo najbojše rezultate v plinskih mešanicah z nizko koncentracijo COg.
Za opisani laser smo razvili in izdelali koronski predionizator iz macorja (slika 4).
lllllllLllLILlllllj'.X»^^—
Slika 4 Koronski predionizator iz keramike macor
I » <1
Slikd 3: Časovni potek predionizacije in glavne razelektritve
ELEKTRODE ZA HOMOGENO RAZELEKTRITEV
Za unifonTino, homogeno razelektritev je poleg učinkovite predionizacije bistvenega pomena oblika elektrod za glavno razelektritev. Unlfomina porazdelitev polja je pomembna za vlaganje čim večje energije in za širino razelektritve, ki mora biti primerljiva z razmikom med elektrodami, če naj bo ekstrakcija energije čim večja. Profil Rogowskega, v katerem so negladko povezani trije segmenti, ni najboljša rešitev;
n
y » - + ce
-X
y =
y « - + ce'
(2)
Prvi manjši tokovni pulz s trajanjeru LOd 2Q ns pomeni pred ion izacijo. Ta tok je vsota površinskih tokov in premikalnega toka v dielektriku. Drugi pulz je glavna razelektritev. Optimalen sistem zahteva
kjer sta X in y koordinati, ki opisujeta presek profila. Ti profili niso kompaktni in njihova uniformnost ni zanesljiva, ker so le empirična aproksimacija.
Analitično rešitev jd predlagal Chang /5/. Predstavil je rešitev za uniformne elektrode s samo hiperboličnimi -funkcijami. Formule omogočajo oblikovanje elektrod za vsak razmik s specificirano uniform nos tjo, izdelava pa je možne na numerično krmiljenem rezkalnem stroju. Predlagal je naslednjo konformno preslikavo:
^ s ü> -f k sinh ci>
(3)
kjer sta ^	in (i3 =u+iv, x in y sta prostorski
koordinati profila elektrode, u je funkcija fluksa, v funkcija potenciala In k>o. V ravnini w je ekvipoten-dalna ravnina, dana s konstantno vrednostjo v in s spreminjanjem spremenjijivke u. V ravnini ^ je odgovarjajoča ekvipotencialna površina v skladu s (3):
(slika 1). Selektivno vzbujanje zgornjega laserskega nivoja se izvrši z vibracijskimi nivoji molekule N? preko elektronskih trkov Vzbujene molekule potem z resonančnim prehodom predajo energijo asimetričnemu 001 modusu molekule CO2. Depopu-lacija spodnjega laserskega nivoja tOO se izvrši z resonančnim prehodom energije na vibracijski nivo 010 molekule COg. ki mu sledi relaksad>a s trki He atomov. Helij tor^j skrbi za učinkovitejše vračanje molekul CO2 v osnovno stanje In zaradi dobre toplotne prevodnosti posredno tudi za hlajenje plinske mešanice.
Ekspehmentalno ugotovljena mešanica za opisani zaprti TEA CO2 laser, predionizir^n s korono, je He:C02:N2 je 7:2:1. Ta mešanica se lahko med laserji za nekaj procentov razlikuje, zato jo je potrebno določiti za vsakega posebej.
X = u
k cos v sinh u ,
y = v + k sin v cosh u ,
(4)
(5)
kjer je lvl<n . Vkfeti Je, da sta ti ekvi potencialni ravnini simetrični na os y, medtem ko sta ekvipo-tencialni ravnini za v in »v zrcalni sliki.
Iz gornjih enačb se da izračunat) oblika uniformnih elektrod za želeni volumen razelektritve. V praksi je elektroda trodimenzionalna. Ker konfomina transformacija direktno ne nore generirati tridimenzionalnega profila, se zadovoljimo s sestavljenim profilom. Pri tem obravnavamo elektrodo, ki je dolga v z in ozka v X dimenziji. Profil yz v ravnini pri z ma><simalno ravnim profilom polja se lahko Izračuna tako, da ee v gornjih enačbah In Izračunu, kt jim sledi, X zamenja z z. To se izvede za vse vrednosti y vzdolž z osi.
V našem primeru je bil za elektrode Izbran in Izračunan Changov pnjfil s karakterističnim faktorjem k»0,07. Ta faktor posredno določa geometrijsko Širino elektrode, predvsem pa širino homogene razelektritve. Izračun je bil narejen za volumen razelektritve 10x10x100 mm. Changov profil je uporabljen v prečni smeri elektnsde in je konstanten po celi dolžini, ki prispeva k razelektritvi. Preskusi so pokazali, da spreminjanje Changovega pnpfila po dožini naše relativno kratke elektrode ne prispeva bistveno k unifonnnosti polja. Na konceh je profil elektrode radialno zaključen.
Elektrode so bile izdelane na NC stn^ju s korakom (10/265)mm. Dolžina elektrode je bila 125, širina 25,4 in višina 10 mm. Potrebno gladkost smo dosegli z ročnim poliranjem.
PLINSKA MEŠANICA
Kot je že bilo rečeno. Je plinska mešanica sestavljena iz plinov He. CO2 in Ng. Laserski efekt dobimo pri prehodu mofekule CO2 iz stanja 001 v stanje 100
KATALIZATOR
V	razelektritvi v plinski mešanici pride do disociacije molekul CO2, Koncentracija plina CO2 se zmanjša, poveča se koncentracija CO in Oa, kar začne vplivati na normalno delovanje laserja in zmanjšuje Izhodno energijo. Prvotno razmerje se lahko vzpostavi z dovajanjem sveže mešanice, če je laser pretočen, ali z nekim mehanizmom, ki zagotavlja ponovno sintezo molekul COg, Če je laser zaprt. Tak katalizator je lahko temperatura cca 850®C, ali drugi homogeni (dodatki Hs in plina CO) in heterogeni dodatki. Najbolj pogosto se uporabljata katalizatorja Pt-SnOg in Pd-SnOg /6/, ki sta aktivna že pri -27^0.
Mof^ule CO2 v razelektrih/i vedno dlsodirajo, zato je obstojnost zaprtih COg laserjev najbolj pogosto omejena z ireverzibilnimi kemijskimi procesi dlso-ciacijskih produktov, kot so CO, O in C, ter ujetjem molekul plina v katodi. Posledica je postopno zmanjševanje izhodne moči in energije. Dovajanje sveže mešanice zaprti sistem izključuje. Mehanizem, ki zagotavlja ponovno sintezo molekule CO2. Je primeren katalizator.
Za naše potrebe je bil na FNT Oddelku za kemtjo razvit katalizator Pd-SnOz. Izdelan in testiran je bil v obliki prahu. Njegova aktivnost je cca 1,2 10*^ Is-'ig'' in je primerljiva s podatki iz literature. Aktivnosl pomeni volumsko črpalno hitrost katalizatorja za O2 na enoto mase katafizatorja.
Ta oblika ni primerna za zaprti sistem laserja, zarad) raztresanja prahu po njegovi notranjosti Prah povsem pokvari razelektritvene karakteristike in reflektivnost zrcal. Velika energija laserskega sevanja znotraj optičnega resonatorja enostavno prismodi prah na zrcalih m jih tako uniči.
V	zaprtem laserju )e uporaben le katalizator v obliki deteev z velikostjo 50 mikrometrov in več, zaprt v porozno nelavečo jekleno sintrano cev SIKA R 20, ki prepušča le delce manjše od 20 mikrometrov (Slika 5).
Potrebno količino katalizatorja v zaprtem laserju določimo z naslednjimi parametri.
VAKUUMIST 14/1(1994) SIKA R20

2ZS
m
Pt-Sn02
S/i^fs 5, Porozna c&v SIKA R 20, napolnjena s katalizatorjem Pd SnOz
NO « pvvA
(6)
kjer je N število strelov na sekundo, O je količind Oz. ki generira pri enem strelu, p je maksimalni dopustni parcialni tlak Og, w je masa katalizatorja in A aktivnost katalizatorja.
RAZELEKTRI7VENI MODUL
Po opisanih spoznanjih je bil konstruiran in izdelan prototip razelektritvenega modula za zaprti sistem TEA CO2 laserje. Sestavljen je iz spodnje nosilne plošče za kafodo in zgornje nosilne plošče za anodo, med njima sta keramičria distančnika iz macorja, iz dveh glavnih razelektritvenih elektrod s Changovim profilom, iz predionizatorja iz Keramike mecor in dveh prevodnih plošč v direktnem stiku s katodo. Prikazuje ga slika 6.
Sitka 6. Razelektritveni modul
ELEKTRIČNO VEZJE ZA VZBUJANJE RAZELEKTRITVE
Osnovni princip napajanja T£A CO2 laserja Je lak. da se zaloga energije v visokonapetostnem konden* zatorju preko visokonapetostnega stikala izprazni v razelektritev v plinski mešanici. Poleg visokonapetostnega napajalnika potrebuje tak laser za vzbujanje vezje za formiranje laserskega pulza. Karakteristični za razelektritveno vezje za TEA CO^ laser so nizka induktivnost, hitri napetostni in tokovni "rise time", visoka napetost in visoki tokovni pulzi nekaj kA. Eden od problemov pri oblikovanju takega vezja je zadovoljiti omenjene zanteve, ne da bi prišlo do preubr^trienjenostl glavnih komponent. Te Komponente so: kondenzator za shranjevanje energije, stikalo (značilno je iskrišče. visokonapetostni rele ali tiratron} in glavne elektrode.
Vezje za napajanje laserja s polprevodniško in koronsko predionizaoijo pa je dokaj enostavno (slika 7). Kot stikalo je uporabljen rele KC-28 firme Kilovac, ki se da preklapljati z nizko napetostjo.
Za potrebe napajanja TEA OO2 laserja je bil razvit visokonapetostni kondenzator KU 2125 KP, 12 nF, 25 kV v Iskri, Semič.
n «o
KC U
C 1

Slike 7. Wape/a/no ve^e za THA CO2 laser s koronsko predionizšcijo
VISOKONAPETOSTNI NAPAJALNIK
Visokonapetostni napajalnik je izveden v "switching" tehniki Napajanje je baterijsko, 24 V. To napetost pretvori napajalnik v enosmerno napetost, nastavljivo od tO do 25 kV. Njegova moč je 15 W, kar omogoča delovanje laserja z repeticijo 4 pulze na sekundo.
OPTIČNI RESONATOR
Resonator za obravnavani laser je sestavljen iz visokoreflektivnega Si zrcala z radijem 5 m in fz prepustnega ravnega zrcala iz Ge, katerega prepustnost smo določili eksperimentalno in je 68 % (slika 8) pri valovni dolžini 10»6 mikrometrov.
SI
• I

2»
10

II
SI
15
R 1*1
Slike 6. Odvisnosl i^iudne energr/e E od reffek-trmosti R pri sestav/ p//nov H&:C02:N2=50:30:8:	nF,
C/« 78 kV
IS
To je hemisfdrična konfiguracija. Nosileo resortatorja je kar ohišje laserja. Zrcali sta namelčeni na prečnih stranicah ohišja v razdalji 205 mm,
ZAPRTO OHIŠJE LASERJA
Izraz zaprti laser pomeni, da je njegovo delovanje, kar se tiče plina, avtonomno in ga ni treba dovajati od zunaj. Kot lak lahko deluje samostojno ali ga vgradimo v sistem. Za zaprti laser je potebno primemo ohišje, ki trajno zadrži vse sestavne pline. To je Še posebej pomembno za Ha, ki med vsemi plini najlaže uide.
Za ohišje so bile zato postavljene naslednje zahteve:
-	Materiali za ohišje laserja in za laserski modul naj bodo Čim bolj kemijsko inertni, da ne spreminjajo kemijske sestave plinske mešanice v laserju z lastnim odparevanjem ali s sintezo disociacijskih produktov laserskih plinov. Ker je laser zaprt, naj bodo vsi sestavni deli primerni za zahtevno čiščenje.
-	ohišje mora biti tesno na He
-	mehansko trdno in temperaturno malo raztezno, ker je istočasno nosilec optičnega laserskega resonatorja
-	izvedba resonatorja mora omogočiti justiranje zrcal
-	ohišje naj bo razstavljivo, plinska mešanica pa zamenljiva po preteku obstojnosti laserja.
OniŠje je sestavljeno iz dveh glavnih delov: osnovna plošča je obenem tudi nosilec laserskega razelek-tritvenega modula pokrov rabi kot nosilec resonatorja, nosilec VN skoznika za dovod visoke napetosti in priključne cevi za polnjenje laserja z mešanico plinov (slika 9).
Ohišje je izdelano Iz nerjavečega jekla 4572. in je na razstavljivih mestih tesnjeno s vakuumskimi spoji CF in s tesnili fz bakra OFHC.
	r—		
1			1
Slika 9. Pokrov oh/Š/a /aser^
VAKUUMSKO TESNI SPOJI
Dolgotrajno, zanesljivo delovanje zaprtega laserja zagotavl|d ohišje, ki se da dobro očistiti, je mehansko trdno, ustreza potrebnim klimomehanskim testom in se da vakuumsko tesno zapreti. To je, kot že rečeno, posebej važno zaradi prisotnosti He v plinski mešanici. Puščanje He v zanesljivem ohišju ne sme biti večje od 10*^ mbar l/s. Takšno ohišje je možno realiziral s kombinacijo zgoraj omenjenih izbranih materialov: primerne kovine, stekla In potrebne optike za laserski resonator. Za vakuumsko
tesno zapiranje ohišja so potrebni vakuumske tesni spoji med naštetimi materiali in elementi Jaserja. V ta namen smo razvili naslednje spoje skupaj s pripomočki, določeno opremo in tehnologijo:
(1) Var kovina-steklo za prenos energije iz visoko* napetostnega kondenzatorja skozi kovinsko ohišje v razelektritvenl modul
Ta spoj je uporabljen na dveh mestfh na visokonapetostni prevodnici (slika 10). Na stekleni visoko* napetostni Izolator je na eni strani privarjen nosilec prevodnice, na drugi pa sama prevoönica.
STEKLO
			H						
\ \ \			1					1 j	\ \ \
				V		NOSILEC			
S/ika 70: V/sokonap&rostna pre^dnica za 25 kV
Spojna materiala milvar in steklo 6250 imata dobro prilagojen temperaturni raztezek. Tehnologija varjenja je dobro poznana v vakuumski tehniki. Vsak var nastane v induktivni zanki visokofrekvenčnega generatorja. No&anje napetosti je potrebno popustiti s kontrolirantm ohlajanjem od 500®C navzdol v primerni peči,
(2) indijev spoj gemianijevega zrcala in kovinskega nosilca za izhodno zrcalo laserskega resonatorja
Razvili smo dva tipa In spoja. Pr/i je visokotem* peratumi. Ta zahteva polirani in pozlačeni kontaktni površini. Velja tako za nosilec iz Jekla 4572 kot za Ge zrcalo. Kontaktno površino nosilca elektrolitsko pozlatimo v vodni raztopini KAu(CN)2 Sledi segrevanje nekaj ur na 30Ö®C v vakuumu 10*5 mbar, zaradi desorpcije vlage iz zlate plasti /7/. Na kontaktni kolobar Ge zrcala naparimo primerno debelo plast Au. Med obe spajani površini vložimo obroček iz In s čistoto 99.99 %. Tako sestavljeni spoj segrevamo po časovno temperaturnem pro» gramu do 230X in popustimo. Nastali evtektik je vakuumsko tesen In mehansko dobro veže obe spojeni površini. Odporen je na temperaturne šoke (pri testih na 77K) in na višje temperature do 300®C. Puščanje spoja je manjše kot ga zazna He detektor netesnosti z območjem	mbar J s'1. Ta spoj
Je posebej primeren za doseganje visokega
vakuuma, ko je potrebno vakuumsko napravo med črpanjem segrevati na viŠjo temperaturo zaradi desorpcije vlage.
Drugi tip In spoja je hladni kompresijeki spoj med nosilcem in zrcalom. Površina Ge zrcala je obdelana enako, vendar plast Au ni potrebna. Pov^ina nosilca je fino postružena z obdelavo 4, in to v eni potezi, kot da je v površino vrezana fina spnrala z majhnim korakom. Pri zapiranju med spajanca vložimo obroček iz čistega In in ju stisnemo s privijanjem matice (slika 11).
Ge-STEKLO
NOSJLEC
(6) Kompresijski spoj bakrene črpalne cevi • hladni var
Ta spoj je v vakuumski tehniki elektronk m plinskih laserjev standanden. Izvedemo ga s stiskanjem kovinske stene cevi s posebnimi kleščami do mere. ko cev na stisnjenem delu razpade na dva de^a. Vsi spoji so bili testirani na puščanje helija. To je bilo pri vseh manjše od 10*^ mbar l/s. Vsi sc tudi vzdržali temperaturne teste od «30 do 120®C.
ZAPRTI TEA CO2 LASER
Z opisanimi pod sestavi in tehnologijo sestavljen zaprti TEA COg laser prikazujeta sliki 12 in 13.
Proces zapiranja laserja je zaporedje določenih postopkov.
Sestavljenemu laserju se s pomočjo He Ne laserja najustira resonator. S helijevim detektorjem puščanja se preveri tesnost vseh spojev. Puščanje sme biti manjše od 10*^ mbar l/sek. Tako sestavljen laser
Slika 11. Kompresijski spo/ z In
Slika 12. Vzdolžni presek TBA CO2 laserja
Pri tem je posebej važna čisteča, ki jo dosežemo z organskimi topili in jedkanjem In v HCl Omenjeni spoj je temperaturno manj vzdržljiv, vendar povsem odgovarja zahtevam v območju od -40 do 125®C. Puščanje He je v območju mbar I st
(3) Indijev spoj bakra in kovinskega nosilca za visokoodbojno zrcalo
Tehnologija izdelave je enaka kot pri visokotempera* turnem spoju kovinskega nosilca in Ge zrcala.
(A) Trdo spajkani spoj bakrene črpalne cevi z ohišjem iz nerjavečega jekla
8akrena cevke se s trdo spajko iz Ag-Cu prispajka pri 750^ na ohišje laserja. Spoj je trden in zanesljiv glede puščanja.
(5) Nestandardna oblika vakuumskega spoja CP za spoj med osnovno ploščo in pokrovom ohišja
Spoj sicer upošteva zakonitosti spoja CF, vendar je oblikovan po ohišju in zato odstopa od standardne cirkulame oblike. Tesnilo je iz bakra OFHC. Od vseh vakuumskih spojev na ohišju je ta. predvsem zaradi posebne oblike in seveda velikosti, najbolj krrtičen.
Drugi vakuumski CF spoji ohišja z nosilci zn^al in visokonapetostne prevodnice so konstruirani po standardih. Tesnila so prav tako iz bakra OFHC.
se nato izčrpa na 10*^ mbar in napolni z ek peri mentalno določeno koncentracijo plinov ter zapre s kompresijskim spojem bakrene črpalne cevi.
Zaprt laser preko visokonapetostne prevodnice priključimo na vezje za formiranje pulza (slika 7) z visokonapetostnim napajalnikom in ga z vklapljanjem releja KC-28 prožimo.
Slika /3. Prečni prerez zaprtega mini TEA CO2 laserja
Tako izdelanemu laserskemu sistemu nato z mdritvami doloämo optimalne pogoje delovanja Nekatere soocfvisnosti prikazuje sliKa 14.
— H e
i —
Ii	11
IT ii II n TI
v icvi
Slika 74. Odvisnost izhodna energije E in tof<a I skozJ razelektritev od napetosti
PRESKUS OBSTOJNOSTI
Obstojnost laserja smo preskusili z vsakodnevnim vključevanjem za 8 ur. Med preskusom je deloval s frekvenco 1 Hz. Test je Irajal SOO.OOO strelov in po njem ni bilo opazne spremembe Izhodne energije. V času drugih testiranj in merjenj je bilo opravljenih Še dodatnih pol milijona strelov. Izhodna moč se je znižala za cca 15 %. Ti podatki nam kažejo, da je obstojnost večja kot 10® strelov.
Končni rezultat razvoja laserja je mini TEA COg laser z naslednjimi karakteristikami:
*	valovna dolžina	10,6 ^m - izhodna moč v pulzu 500 kW
*	divergenca žarka	4 mrad
•	premer izhodnega ža/ka
•	repeticija
•	čas trajanja pulza
•	delovna napetost
-	kondenzator Ci
•	obstojnost
-	dimenzije
6 mm
2 pulz/s
60 ns
19 kV
12.2 nF
>10^ strelov
215 X 67 X 71 mm
Laser s takimi lastnostmi je primeren za uporabo v merilni tehniki. V našem primeru smo ga uporabili v sistemu laserskega razdaijemera.
SKLEP
Opisan je kompakten, v manjšem kovinskem ohišju zaprt TEA CO2 laser s koronsko predionizacijo. S svojimi lastnostmi je primeren za uporabo v merilni tehniki. Uporabo takega laserja je z nadaljnjim razvojem in modifikacijami možno razširiti tudi na področje laserskih radarjev In lldarjev za globalno opazovanje vremena in podobno uporabo. Aplikativna vrednost predstavljenega laserskega Izvira je bila preverjena v praksi v komercialno zanimivem prototipu CO2 razdaijemera (slika na naslovnici).
LITERATURA
/1/ n Dumachin, J Rocce-Sena* ComcM« R Acad. Sc* 269 216 (1969)
f2J A J. eeaUieu Appl. Phys Len. 16. 505 (1970)
/3/ W. R. Kaminski, Corona Pp^onlzation Technique for caröon dioxidd TEA	Repoft No a2n-9a070i-02, UTRC, West
Pdim Beach. FL (1982)
/4/ R. V. BdbCCek, I. Liberman. W D Panlow. l£EE j 06-12 (1976)
/S/ T. Y. Chang. Rev. Sd. Instrgtn. 44, 275 (1984)
^ 0. S. Stdii, M R Hams. J Phy$. Soi tnstriMn Vol 16 (1983)
nt ^ehl5a et al., J Appl. Phys , Vol. 59 (1986)
OBVESTILO
4&. posvetovanje o meialurgiji in 14. slovensko vakuumsko
Po$v9tovan|a organizirajo: Institut za kovinske maieriale in tehnologije, Kemijski institut. Slovensko Oruštvo zt materiale. Slovensko kemijsko društvo: sekciji za polimere in keramiko in Dnjštvo za vakuumsko (ehniko Slovenije.
Posvetovanja so namerijena predstavitvi raziskoval r\ih in razvojnih dosežkov s področja tehnotogije in uporabe materialov. Obravnavana bodo naslednja področja:
(a) sinteza sodobnih kovinskih, pollmsrnih» k9ramlčnlh
In kompozitnih materialov, <b} razvof modernih tehnologij proizvodnje materialov.
(c)	korozija In propad gradiv,
(d)	sodobne termične obdelav»,
(e)	karaktertzaclja materialov,
(f)	tanke plasti In površine,
(g)	vakuumska tehnika In tehrwroglje,
in kovinskih gradivih, 2. posvetovanje o materialih posvetovanje« Portorož, 5-7 okt. 1994
(h)	tribologlla,
(i)	matematično modeliranja in računalniška simulacija procesov in tehnologij,
(j) ekologija In (k) kakovost.
OrQanizirana bo tudi razstava opreme in proizvodov s teh podroiij. Delovna jezika bosta slovenski in angleški Zadnji rok za oddajo povzetkov je 30. april 1994
Pošljite jih na naslov:
Organizacijski odbor Portorož 94,
Institut za kovinske materiale in tehnologije,
pp 431, 61001 Ljubljana,
kjer doDIte ti>di dodatne informacije (tel: 061) 125 11 6i, tax: (061) 213 780)