專利名稱：脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光器技術，特別是涉及一種采用脈沖預電離的高頻放電板條氣體激光器。
背景技術：
大功率氣體激光器例如CO2激光器有多種放電激勵方式，其中脈沖預電離的直流放電激勵(參考文獻N.A.Generalov，M.I.Gorbulenko.N.G.Solov’yov，M.Yu.Yakimov，V.P.Zimakov.High-power industrial CO2lasersexcited by a nonself-sustained glow discharge.In“Gas Lasers-RecentDevelopments and Future Prospects”edited by W.J.Witteman and V.N.Ochkin.NetherlandsKluwer Academic Publishers，1996，323-341)是一種很成功的激勵方式。采用閘流管脈沖調(diào)制器產(chǎn)生的窄脈沖放電作為預電離放電在激光氣體媒質(zhì)中產(chǎn)生足夠的預電離電子濃度，然后用直流放電作為主放電。脈沖預電離的作用是降低了主放電的E/P值(電場強度與氣壓之比值)，使激光器的電光轉(zhuǎn)換效率提高。此外，脈沖預電離對主放電起穩(wěn)定的作用。預電離放電在放電區(qū)內(nèi)形成均勻的預電離電子密度，使后續(xù)的主放電不易起弧，放電均勻穩(wěn)定。當預電離足夠強時，E/P值可以降低到自持放電閾值之下，是為“非自持放電”。參考文獻(N.A.Generalov，M.I.Gorbulenko，N.G.Solov’yov，M.Yu.Yakimov，V.P.Zimakov.High-power industrial CO2lasers excited by a nonself-sustainedglow discharge.In“Gas Lasers-Recent Developments and Future Prospects”edited by W.J.Witteman and V.N.Ochkin.NetherlandsKluwer AcademicPublishers，1996，323-341)提出采用這種方式建造擴散冷卻的板條CO2激光器。板條氣體激光器是指放電截面為矩形的一種氣體激光器。由于矩形放電的寬高比可以設計得很大，例如10到20，因此可采用“面積放大“原理以提高擴散冷卻氣體激光器的輸出功率。但是脈沖預電離的直流放電方案仍然存在諸多缺陷。其一是在非自持放電條件下注入到激活區(qū)的放電能量(或功率)密度較低；其二是盡管脈沖預電離對放電起穩(wěn)定作用，但是在注入能量(功率)密度較高時仍然難以避免形成弧光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種新的氣體激光器——脈沖預電離高頻放電激勵的板條氣體激光器。在覆蓋著絕緣介質(zhì)的兩個金屬平板預電離電極之間加上高重復頻率窄脈沖進行橫向脈沖預電離放電，在與平板平行方向上的主放電電極之間采用高頻交流放電作為主放電，從而實現(xiàn)矩形截面放電區(qū)的均勻放電激勵。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是提供一種脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，由激光諧振腔、電極、絕緣層、脈沖發(fā)生器和高頻電源等組成。其中，在激光放電腔內(nèi)，設有上預電離電極和下預電離電極，兩預電離電極內(nèi)表面附有絕緣層，且上預電離電極和下預電離電極分別與脈沖發(fā)生器電連接；兩主放電電極分別置于上預電離電極和下預電離電極的兩側，并分別與高頻交流電源輸出端相連。
所述的脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，采用高頻方波開關電源作為主放電電源和預電離電源，其頻率在1kHz至1MHz之間。
所述的脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，一主放電電極與上預電離電極電相連，另一主放電電極與下預電離電極電相連。
所述的脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，主放電電極與預電離電極合二為一。
所述的脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，在激光放電腔內(nèi)，設有上電極和下電極，上電極的右或左部覆蓋絕緣層，下電極的左或右部覆蓋絕緣層，上電極和下電極未覆蓋部分作為兩主放電電極，覆蓋部分作為兩預電離電極。
所述的脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，在激光放電腔內(nèi)，設有上電極和下電極，上電極的左右兩部分覆蓋絕緣層，作為上預電離電極，中間一小部分未覆蓋，作為一主放電電極；下電極的中間部分覆蓋絕緣層，作為下預電離電極，兩邊留出小部分未覆蓋，作為另一接地主放電電極。
本發(fā)明脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器放電穩(wěn)定性好，能以高重復率脈沖或連續(xù)方式運轉(zhuǎn)，具有輸出功率大、重復頻率高、小型化等優(yōu)點。適用于二氧化碳激光器，一氧化碳激光器等多種氣體激光器，在激光加工，激光探測，光化學等領域有廣泛的應用前景。


圖1是本發(fā)明脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器的示意圖；圖2是本發(fā)明的第一實施例；圖3是本發(fā)明的第二實施例；圖4是本發(fā)明的第三實施例。
具體實施例方式
為進一步說明本發(fā)明的特征及結構，以下結合附圖對本發(fā)明作詳細描述。
請參閱圖1，脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器包括上預電離電極1和下預電離電極2，主放電電極3和4，絕緣層5和6，激光諧振腔7，高重復率窄脈沖發(fā)生器8，高頻電源9。板條狀預電離電極1和2分別與脈沖發(fā)生器8的高壓端和低壓端相連。主放電電極3和4位于預電離電極兩側，分別與高頻交流電源9的高壓端和低壓端相連。預電離電極的內(nèi)表面緊密地附著有高熱導率的絕緣層5、6，如氧化鋁陶瓷或搪瓷，外表面緊密地和外加的金屬冷卻塊相接觸，冷卻塊內(nèi)通冷卻液。也可以直接在預電離電極金屬板內(nèi)部加工冷卻槽通以冷卻液。上、下預電離電極之間的區(qū)域即為激光器的放電區(qū)。預電離電極的寬度W與它們之間的間隙h之比W/h定義為激光器放電區(qū)的“寬高比”。寬高比可以在2到30之間改變。放電區(qū)的氣體在放電中產(chǎn)生的熱量擴散到管壁，通過高熱導率的絕緣層、電極金屬板傳播到冷卻塊，由冷卻液帶走。由于絕緣層很薄(一般100-1000μm)，并且緊密附著在電極的內(nèi)表面，所以可以使激光器得到充分的冷卻，實現(xiàn)大功率激光輸出。板條氣體激光器也可以做成流動冷卻型，其中激光氣體在激活區(qū)內(nèi)高速流動將放電產(chǎn)生的熱能帶走。
相應的預電離脈沖的重復頻率可以與主放電相同，也可以不同。但是在二者同步的情況下，對激光放電的穩(wěn)定性會更好。放電時預電離脈沖電壓在放電區(qū)形成均勻的等離子體。預電離脈沖很窄，它可以通過絕緣層耦合進入放電區(qū)。由于均勻的絕緣層形成均勻分布的電容限流作用，預電離放電不會發(fā)生起弧現(xiàn)象。絕緣層在這里的作用一是防止直流橫向激勵，二是作為橫向脈沖預電離放電的分布式阻抗，使橫向預電離放電均勻。預電離之后緊隨著是主放電。預電離是垂直于平板方向的，是“橫向”放電；主放電平行于平板方向，是“縱向”放電。由于寬高比W/h可以設計的很大，因此橫向的預電離的E/P值很高，有利于氣體分子的電離，而“縱向”主放電由于有了預電離可以選擇較低的E/P值，有利于氣體分子激發(fā)產(chǎn)生激光。此外，主放電是高頻放電，電場不斷改變極性，其周期比放電不穩(wěn)定性開始時間短，放電不易起弧。預電離和高頻放電的結合使大的矩形放電區(qū)形成均勻穩(wěn)定的放電得以實現(xiàn)。從而為大功率氣體激光器的小型化提供了一條可行、有效的途徑。
圖2是本發(fā)明的第一實施例，其中主放電電極3與預電離電極1電相連，主放電電極4與預電離電極2電相連。采用高頻方波開關電源作為主放電電源，也作為預電離電源，其頻率在1kHz至1MHz之間。加在電極上的方波電壓的陡峭上升和下降沿包含了較高的頻率分量，容易通過預電離介質(zhì)層5和6進入放電區(qū)，形成主放電之前的預電離放電。由于只采用一個高頻方波開關電源使整個系統(tǒng)更加緊湊。
圖3是本發(fā)明的第二實施例，是圖2的進一步簡化和改進。其中，主放電電極與預電離電極合二為一。上電極1的右部覆蓋絕緣介質(zhì)層5，下電極2的左部覆蓋絕緣介質(zhì)層6，未覆蓋部分作為主放電電極3、4，覆蓋部分作為預電離電極。其工作原理與圖2是類似的。
圖4是本發(fā)明的第三實施例，是一種對稱的結構，是圖3的延伸。其中上電極1的左右兩部分覆蓋絕緣層5，作為預電離電極。中間一小部分未覆蓋，作為高壓主放電電極3。下電極2中間部分覆蓋絕緣層6，作為預電離電極。兩邊留出小部分未覆蓋，作為接地主放電電極4。這種激光器結構簡單、緊湊，而且兩端的地電位有利于激光器的整體設計。在圖3和圖4結構中激光器的諧振腔可以平行于主放電方向，也可以垂直于主放電方向，后者也可稱為“交叉放電”。
權利要求
1.一種脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，由激光諧振腔、電極、絕緣層、脈沖發(fā)生器和高頻電源組成，其特征在于，在激光放電腔內(nèi)，設有上預電離電極和下預電離電極，兩電極內(nèi)表面附有絕緣層，且上預電離電極和下預電離電極分別與脈沖發(fā)生器電連接；兩主放電電極分別置于上預電離電極和下預電離電極的兩側，且分別與高頻交流電源輸出端相連。
2.如權利要求1所述的脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，其特征在于，采用高頻方波開關電源作為主放電電源和預電離電源，其頻率在1kHz至1MHz之間。
3.如權利要求2所述的脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，其特征在于，一主放電電極與上預電離電極電相連，另一主放電電極與下預電離電極電相連。
4.如權利要求2所述的脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，其特征在于，主放電電極與預電離電極合二為一。
5.如權利要求4所述的脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，其特征在于，在激光放電腔內(nèi)，設有上電極和下電極，上電極的右或左部覆蓋絕緣層，下電極的左或右部覆蓋絕緣層，上電極和下電極未覆蓋部分作為兩主放電電極，覆蓋部分作為兩預電離電極。
6.如權利要求4所述的脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器，其特征在于，在激光放電腔內(nèi)，設有上電極和下電極，上電極的左右兩部分覆蓋絕緣層，作為上預電離電極，中間一小部分未覆蓋，作為一主放電電極；下電極的中間部分覆蓋絕緣層，作為下預電離電極，兩邊留出小部分未覆蓋，作為另一接地主放電電極。
全文摘要
脈沖預電離高頻放電板條氣體激光器涉及激光器技術。在激光諧振腔內(nèi)，設有上預電離電極和下預電離電極，兩電極內(nèi)表面附有絕緣層，且上預電離電極和下預電離電極分別與脈沖發(fā)生器電連接；兩主放電電極分別置于上預電離電極和下預電離電極的兩側，且分別與高頻交流電源輸出端相連。其還可采用高頻方波開關電源作為主放電電源和預電離電源；而且主放電電極與預電離電極可以合二為一。本發(fā)明放電穩(wěn)定性好，實現(xiàn)了矩形截面放電區(qū)的均勻放電激勵，能以高重復率脈沖或連續(xù)方式運轉(zhuǎn)，具有輸出功率大、重復頻率高、小型化等優(yōu)點。
文檔編號H01S3/09GK1510802SQ0215789
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權日2002年12月20日
發(fā)明者萬重怡, 于延寧 申請人:中國科學院電子學研究所