專利名稱：高頻橫向激勵氣體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體激光器件。
隨著高功率CO2激光器在工業(yè)上日益廣泛和深入應(yīng)用，用于切割的激光器所占份額越來越大，目前用于切割的高功率CO2氣體激光器，主要為縱向快速流動和板條擴(kuò)散冷卻兩種類型?？v向快速流動有直流和射頻激勵兩種形式，其中直流激勵方式激光器正負(fù)電極分別置于石英玻璃管兩端，放電、氣流和激光振蕩方向都是一致的，可得到低階模優(yōu)質(zhì)激光輸出，但存在放電電壓高、放電不穩(wěn)定、需串接耗能限流電阻等缺點(diǎn)。為解決上述缺點(diǎn)所引入的射頻激勵方式激光器，通常的電極結(jié)構(gòu)又有兩種形式一是兩個板條狀電極相對外置于石英玻璃管表面，放電等離子體特性與橫流氣體激光器類似(各向異性)，因此輸出激光模式不是太好；二是兩個螺旋電極相對繞置于石英玻璃管外表面，因此放電管內(nèi)的等離子體是螺旋形狀的，可得到較好的光束質(zhì)量。為了更有效地改善管內(nèi)放電等離子體的各向同性程度，有的還采取特殊進(jìn)氣方式，使得放電管內(nèi)氣流呈螺旋形式前進(jìn)。上述幾種形式加在電極上的射頻功率通過石英管壁所固有的電容耦合激勵管內(nèi)的增益介質(zhì)——激光混合氣體，一般只有10-20％的射頻功率轉(zhuǎn)化為激光功率輸出，大部分射頻功率轉(zhuǎn)化為熱能使得混合氣體溫度升高，而氣體溫升對激光輸出是不利的，因此采用快速氣體流動冷卻方式限制放電區(qū)的溫升，這需要昂貴的氣流循環(huán)冷卻系統(tǒng)，而且使得整機(jī)結(jié)構(gòu)體積龐大，額外消耗大量電能。1989年以來發(fā)展起來板條擴(kuò)散冷卻結(jié)構(gòu)的射頻激勵氣體激光器，板條形狀的電極之間為放電部分，電極中空、內(nèi)部通冷卻液，所有組成元件均封裝在外殼內(nèi)，放電部分兩端置有全反鏡和輸出鏡，外殼內(nèi)其余空間構(gòu)成儲氣室與放電部分連通，可參見K.M.AbramsKi，A.D.colley，H.J.Baker & D.R.Hall“Power scaling of large area transverseradio freeoaency discharge CO2Lasers”Appl.Ph 5.Letl.，Vol.54(9)，P1833-1835 (1989).這種激光器雖然結(jié)構(gòu)緊湊，無需氣流循環(huán)冷卻系統(tǒng)，但輸出激光為偏振光束，質(zhì)量很差，需要采用復(fù)雜的價(jià)格較高的外光路系統(tǒng)對其進(jìn)行整形處理，才能滿足實(shí)用要求。
本發(fā)明的目的在于提供一種高頻橫向激勵氣體激光器，通過變化電極的形狀及其在絕緣放電管上的位置，在絕緣放電管外復(fù)以冷卻通道，開發(fā)出不用對流冷卻系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)緊湊、輸出光束質(zhì)量好的高功率氣體激光器件。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的高頻橫向激勵氣體激光器，其外殼內(nèi)設(shè)置放電部分和冷卻裝置，放電部分兩端分別置有全反鏡和輸出鏡，外殼內(nèi)的其余空間構(gòu)成儲氣室與放電部分連通，其特征在于(1)所述放電部分由絕緣放電管及置于絕緣放電管表面或管壁內(nèi)的電極構(gòu)成，電極包括高壓極和地極，(2)所述冷卻裝置為包裹絕緣放電管的冷卻通道、冷卻通道內(nèi)充冷卻液。
(3)當(dāng)高壓極置于放電管外表面時，所述冷卻液是絕緣的。
所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其進(jìn)一步特征可在于所述絕緣放電管橫截面為圓形；所述電極為一對螺旋狀電極，其中高壓極/地極沿絕緣放電管內(nèi)表面繞行，地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或沿絕緣放電管內(nèi)表面、或嵌入絕緣放電管管壁內(nèi)與高壓極/地極相間繞行。
所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其進(jìn)一步特征也可在于所述絕緣放電管橫截面為圓形；所述電極為一對螺旋狀電極，其中高壓極/地極嵌入絕緣放電管管壁內(nèi)繞行，地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或嵌入絕緣放電管管壁內(nèi)與高壓極/地極相間繞行。
所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其進(jìn)一步特征還可在于所述絕緣放電管橫截面為圓形；所述電極為一對螺旋狀電極，其中高壓極和地極均沿絕緣放電管外表面相間繞行；所述冷卻通道所充冷卻液為絕緣冷卻液。
所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其進(jìn)一步特征或在于所述絕緣放電管橫截面為圓形或矩形，所述電極為兩對條狀電極、軸向縱貫絕緣放電管全部長度，其中兩高壓極/地極沿絕緣放電管內(nèi)表面相對設(shè)置、兩地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或沿絕緣放電管內(nèi)表面、或嵌入絕緣放電管管壁與高壓極/地極相間均勻設(shè)置。
所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其進(jìn)一步特征或在于所述絕緣放電管橫截面為圓形，所述電極為兩對條狀電極、軸向縱貫絕緣放電管全部長度，其中兩高壓極/地極嵌入絕緣放電管管壁相對設(shè)置、兩地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或嵌入絕緣放電管管壁與高壓極/地極相間均勻設(shè)置。
所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其進(jìn)一步特征或在于所述絕緣放電管橫截面為圓形或矩形，所述電極為兩對條狀電極、軸向縱貫絕緣放電管全部長度，其中兩高壓極/地極沿絕緣放電管外表面相對設(shè)置、兩地極/高壓極沿絕緣放電管外表面與高壓極/地極相間均勻設(shè)置；所述冷卻通道內(nèi)所充冷卻液為絕緣冷卻液。
所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其進(jìn)一步特征或在于所述絕緣放電管橫截面為圓形或矩形，所述電極為兩對條狀電極，第一對條狀電極軸向縱貫絕緣放電管一半長度，其高壓極/地極沿絕緣放電管內(nèi)表面或嵌入絕緣放電管管壁放置、其地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或沿絕緣放電管內(nèi)表面、或嵌入絕緣放電管管壁與高壓極/地極相對設(shè)置；第二對條狀電極軸向縱貫絕緣放電管另一半長度，其空間位置與第一對條狀電極相對垂直、其高壓極和地極互相之間以及它們與絕緣放電管的相對位置與第一對條狀電極的高壓極和地極情形一樣。
所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其進(jìn)一步特征或在于所述絕緣放電管橫截面為圓形或矩形，所述電極為兩對條狀電極，第一對條狀電極軸向縱貫絕緣放電管一半長度，其高壓極和地極沿絕緣放電管外表面相對設(shè)置；第二對條狀電極軸向縱貫絕緣放電管另一半長度，其空間位置與第一對條狀電極相對垂直、其高壓極和地極沿絕緣放電管外表面相對設(shè)置；所述冷卻通道內(nèi)所充冷卻液為絕緣冷卻液。
本發(fā)明的激光器集射頻激勵激光器的放電穩(wěn)定可靠、易于調(diào)制、不用昂貴的對流冷卻系統(tǒng)、擴(kuò)散冷卻結(jié)構(gòu)緊湊體積小，以及縱向快速流動結(jié)構(gòu)的激光器輸出光束質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)于一體，可開發(fā)出數(shù)十——數(shù)千瓦，具有基?；虻碗A模光束質(zhì)量、使用壽命長的氣體激光器件。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)除適用于CO2激光器外，還適用于CO激光器和其他類型氣體的激光器，在激光切割和科學(xué)研究領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施狀態(tài)。


圖1為本發(fā)明激光器整體剖面示意圖，圖中金屬外殼1，絕緣放電管2采用具有良好導(dǎo)熱特性的陶瓷或石英材料制成，3為高壓電極、4為地電極，支撐5用于承載絕緣放電管，6為端面法蘭、壓圈7將全反鏡8和輸出鏡9分別固定在絕緣放電管兩端的端面法蘭上，10為電極引線，11為絕緣套管，12是充排氣口，13為冷卻液入口，14為冷卻液出口，15為放電等離子體，冷卻通道16內(nèi)充冷卻液，17為通道外壁，18儲充室，19為通氣孔。外殼、端面法蘭、冷卻通道外壁、壓圈和支撐均為金屬材料，當(dāng)高壓極置于放電管外表面時，支撐5為絕緣材料構(gòu)成，同時冷卻液也應(yīng)是絕緣的。因此放電等離子體的熱量可直接通過管壁的傳導(dǎo)擴(kuò)散冷卻方式被管壁周圍流動的冷卻液帶走。絕緣放電管直徑一般可選為10mm左右，因此電極間距較小，可實(shí)施低壓射頻激勵技術(shù)，放電均勻、穩(wěn)定可靠。
圖2-圖14分別表示不同形狀的電極、不同形狀的絕緣放電管以及它們之間相互位置的實(shí)施例。
圖2所示一對螺旋狀電極，一極沿圓形絕緣放電管內(nèi)表面繞行，另一極沿絕緣放電管外表面相間繞行。
圖3所示一對螺旋狀電極均沿圓形絕緣放電管內(nèi)表面相間繞行。
圖4所示一對螺旋狀電極均嵌入圓形絕緣放電管管壁內(nèi)相間繞行。
圖5-圖10所示兩對條狀電極軸向縱貫絕緣放電管全部長度，圖5中兩高壓極沿圓形絕緣放電管內(nèi)表面相對設(shè)置、兩地極沿絕緣放電管外表面與高壓極相間均勻設(shè)置；圖6與圖5差別僅在于兩高壓極和兩地極均沿圓形絕緣放電管內(nèi)表面設(shè)置；圖7則表示兩高壓極和兩地極均嵌入圓形絕緣放電管管壁內(nèi)；圖8與圖5、圖9與圖6、圖10與圖7的差別均只是絕緣放電管改為正方形橫截面。
圖11-圖12所示兩對條狀電極，第一對條狀電極軸向縱貫圓形絕緣放電管一半長度，第二對條狀電極軸向縱貫絕緣放電管另一半長度、其空間位置與第一對條狀電極相對垂直，圖11中兩對條狀電極在絕緣放電管內(nèi)、外表面上分段相對交叉設(shè)置，而圖12中兩對條狀電極均在絕緣放電管內(nèi)表面上分段相對交叉設(shè)置。圖13與圖11、圖14與圖12的區(qū)別均只是絕緣放電管為正方形橫截面。
權(quán)利要求
1.一種高頻橫向激勵氣體激光器，其外殼內(nèi)設(shè)置放電部分和冷卻裝置，放電部分兩端分別置有全反鏡和輸出鏡，外殼內(nèi)的其余空間構(gòu)成儲氣室與放電部分連通，其特征在于(1)所述放電部分由絕緣放電管及置于絕緣放電管表面或管壁內(nèi)的電極構(gòu)成，電極包括高壓極和地極，(2)所述冷卻裝置為包裹絕緣放電管的冷卻通道、冷卻通道內(nèi)充冷卻液。(3)當(dāng)高壓極置于放電管外表面時，所述冷卻液是絕緣的。
2.如權(quán)利要求1所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其特征在于所述絕緣放電管橫截面為圓形；所述電極為一對螺旋狀電極，其中高壓極/地極沿絕緣放電管內(nèi)表面繞行，地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或沿絕緣放電管內(nèi)表面、或嵌入絕緣放電管管壁內(nèi)與高壓極/地極相間繞行。
3.如權(quán)利要求1所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其特征在于所述絕緣放電管橫截面為圓形；所述電極為一對螺旋狀電極，其中高壓極/地極嵌入絕緣放電管管壁內(nèi)繞行，地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或嵌入絕緣放電管管壁內(nèi)與高壓極/地極相間繞行。
4.如權(quán)利要求1所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其特征在于所述絕緣放電管橫截面為圓形；所述電極為一對螺旋狀電極，其中高壓極和地極均沿絕緣放電管外表面相間繞行；所述冷卻通道所充冷卻液為絕緣冷卻液。
5.如權(quán)利要求1所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其特征在于所述絕緣放電管橫截面為圓形或矩形，所述電極為兩對條狀電極、軸向縱貫絕緣放電管全部長度，其中兩高壓極/地極沿絕緣放電管內(nèi)表面相對設(shè)置、兩地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或沿絕緣放電管內(nèi)表面、或嵌入絕緣放電管管壁與高壓極/地極相間均勻設(shè)置。
6.如權(quán)利要求1所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其特征在于所述絕緣放電管橫截面為圓形，所述電極為兩對條狀電極、軸向縱貫絕緣放電管全部長度，其中兩高壓極/地極嵌入絕緣放電管管壁相對設(shè)置、兩地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或嵌入絕緣放電管管壁與高壓極/地極相間均勻設(shè)置。
7.如權(quán)利要求1所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其特征在于所述絕緣放電管橫截面為圓形或矩形，所述電極為兩對條狀電極、軸向縱貫絕緣放電管全部長度，其中兩高壓極/地極沿絕緣放電管外表面相對設(shè)置、兩地極/高壓極沿絕緣放電管外表面與高壓極/地極相間均勻設(shè)置；所述冷卻通道內(nèi)所充冷卻液為絕緣冷卻液。
8.如權(quán)利要求1所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其特征在于所述絕緣放電管橫截面為圓形或矩形，所述電極為兩對條狀電極，第一對條狀電極軸向縱貫絕緣放電管一半長度，其高壓極/地極沿絕緣放電管內(nèi)表面或嵌入絕緣放電管管壁放置、其地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或沿絕緣放電管內(nèi)表面、或嵌入絕緣放電管管壁與高壓極/地極相對設(shè)置；第二對條狀電極軸向縱貫絕緣放電管另一半長度，其空間位置與第一對條狀電極相對垂直、其高壓極和地極互相之間以及它們與絕緣放電管的相對位置與第一對條狀電極的高壓極和地極情形一樣。
9.如權(quán)利要求1所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其特征在于所述絕緣放電管橫截面為圓形或矩形，所述電極為兩對條狀電極，第一對條狀電極軸向縱貫絕緣放電管一半長度，其高壓極和地極沿絕緣放電管外表面相對設(shè)置；第二對條狀電極軸向縱貫絕緣放電管另一半長度，其空間位置與第一對條狀電極相對垂直、其高壓極和地極沿絕緣放電管外表面相對設(shè)置；所述冷卻通道內(nèi)所充冷卻液為絕緣冷卻液。
全文摘要
高頻橫向激勵氣體激光器,其電極置于絕緣放電管表面或管壁內(nèi),內(nèi)充冷卻液的冷卻通道包裹絕緣放電管,后者兩端分別置有全反鏡和輸出鏡,絕緣放電管和電極可有不同形狀。本發(fā)明無需氣體對流冷卻系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)緊湊,輸出光束質(zhì)量好,適用于各種類型高功率氣體激光器,可廣泛用于激光切割和科學(xué)研究領(lǐng)域。
文檔編號H01S3/03GK1264940SQ0011438
公開日2000年8月30日 申請日期2000年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月25日
發(fā)明者王又青 申請人:華中理工大學(xué)