專利名稱：分壓式射頻激勵(lì)全金屬波導(dǎo)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及射頻激勵(lì)全金屬波導(dǎo)激光器。
美國(guó)的Peter laakmann在一九八九年提出了一種全金屬結(jié)構(gòu)非波導(dǎo)射頻激勵(lì)CO2激光器，并用四電極結(jié)構(gòu)形式實(shí)施。如

圖1所示。它的兩側(cè)壁金屬電極接地，上下兩電極相差180°相移。這種全金屬結(jié)構(gòu)與全陶瓷結(jié)構(gòu)和陶瓷與金屬夾心結(jié)構(gòu)相比，成本大大降低。它的結(jié)構(gòu)加工性能好，導(dǎo)熱性好。并因采用同種材料做結(jié)構(gòu)受熱膨脹應(yīng)力波導(dǎo)變形小。但用四電極，采用相差180°三線輸出電源，與普通射頻源不能配用，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
本發(fā)明的目的就是為了避免上述技術(shù)不足之處而提供一種波導(dǎo)模輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可與普通射頻源配合使用的分壓式射頻激勵(lì)兩電極全金屬波導(dǎo)激光器。
本發(fā)明簡(jiǎn)單原理如下在射頻激勵(lì)氣體激光器中，是利用∝類型放電來(lái)激勵(lì)增益的，即體電離起主要作用。射頻放電著火點(diǎn)通常是把射頻場(chǎng)內(nèi)電子的產(chǎn)生與損耗平衡作為依據(jù)的?！仡愋头烹娭?，主要電子損耗機(jī)理是電力擴(kuò)散到壁的損耗和電子的復(fù)合損耗，電子的產(chǎn)生是體電離產(chǎn)生。因而有∞=hVcKeϵeff+π2DKeϵeff·d2;∝=PAexp(-BPϵeff)]]>其中∝體電離系數(shù)。
h一個(gè)電子與中性粒子碰撞時(shí)發(fā)生附著碰撞的幾率。
Vc單位時(shí)間內(nèi)，電子與中性粒子碰撞次數(shù)。
D擴(kuò)散系數(shù)。
Ke遷移率。
d電極間距。
εeff有效電場(chǎng)強(qiáng)度。
εm射頻場(chǎng)最大幅度。
ω射頻場(chǎng)頻率。
P氣壓。
A、B常數(shù)。
ϵeff=ϵm1+(WVc)2]]>由此可得exp(-BPVeff·d)=hVcPAKe·dVeff+π2DPAKe·1Veff·d]]>在特定氣壓和射頻頻率下，著火有效電壓Veff為相間距d的函數(shù)。上式中把側(cè)壁對(duì)擴(kuò)散損耗的影響歸于D中。
上式在點(diǎn)B·P·exp(-BPVeff·d)=hVcP·A·Ke-πD2P·A·Ke·1d2=0]]>處有極小值。如圖2所示，圖2說(shuō)明在射頻放電時(shí)，著火電壓在某一d處有極小值，在d很小時(shí)和d很大時(shí)，著火電壓反而更高，氣體不易擊穿放電。
本發(fā)明正是利用這一原理實(shí)現(xiàn)了全金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的射頻放電激勵(lì)。其原理圖如圖3所示，上下兩電極間的波導(dǎo)通道構(gòu)成了電容C，上電極和下電極與波導(dǎo)側(cè)壁的空氣隙構(gòu)成了兩個(gè)相等的電容C1，上電極和隔離板及隔離板和緊固壓板間的空氣隙構(gòu)成了兩個(gè)相等的電容C2，當(dāng)射頻源施加在電極上后，由于是容性結(jié)構(gòu)，上電極和任何接地極之間有效電壓為Veff，即為上電極和下電極之間的電壓。但施加在空氣隙間的電壓由于兩個(gè)串聯(lián)的空氣隙的等效電容相同，均分壓為Veff/2。同時(shí)，由于空氣隙極小(0.05～0.15mm)，著火電壓極高，而上下電極電壓是空氣隙之間電壓的2倍，且極間距較大(1mm～8mm)。著火電壓較低，所以，上下電極間波導(dǎo)空間著火放電形成增益區(qū)，可實(shí)現(xiàn)激光輸出。
本發(fā)明是用以下的方法實(shí)施的它是全金屬結(jié)構(gòu)的射頻激勵(lì)激光器，由電極、射頻源、緊固螺釘組成，它的電極、波導(dǎo)側(cè)壁、隔離板、緊固壓板均由真空金屬材料制成，真空金屬材料可用如鋁合金、無(wú)氧銅、紫銅、不銹鋼、鈦、鎳等材料組成金屬波導(dǎo)。對(duì)上電極1、下電極2、波導(dǎo)側(cè)壁3如果用鋁合金材料制成，并在其表面經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理，如草酸氧化和低溫硫酸氧化處理，形成介質(zhì)膜波導(dǎo)。本發(fā)明電極只用上電極1和下電極2兩個(gè)電極，上電極1和下電極2之間有波導(dǎo)側(cè)壁3，上電極1和緊固壓板6之間有隔離板5，然后在波導(dǎo)側(cè)壁3和上電極1之間，波導(dǎo)側(cè)壁3和下電極2之間，在隔離板5與緊固壓板6之間，隔離板5與上電極1之間沿縱向間斷放置如每隔50～100mm均有相同厚度的絕緣墊4，絕緣墊4用真空絕緣材料制成，厚度為0.05～0.15mm，大小可為2×5～2×10mm2。在隔離板5和緊固壓板6的中心均有一個(gè)使電極引線通過(guò)的孔，孔徑均為極間距d的5倍以上，上電極1的電極引線穿過(guò)隔離板5和緊固壓板6的孔加到射頻源RF下電極接地，上電極1和下電極2之間的垂直距離為d在1～8mm范圍。
圖1.全金屬結(jié)構(gòu)非波導(dǎo)射頻激勵(lì)CO2激光器的示意2.著火有效電壓Veff和極間距離d的函數(shù)關(guān)系3.本發(fā)明的原理4.本發(fā)明簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖1.上電極 2.下電極 3.波導(dǎo)側(cè)壁5.隔離板 6.緊固壓板 7.波導(dǎo)口10.空氣隙圖5.本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖1.上電極 2.下電極 3.波導(dǎo)側(cè)壁4.絕緣墊 5.隔離板 6.緊固壓板7.波導(dǎo)口 8.緊固螺釘 9.孔10.空氣隙實(shí)施例看圖61.上電極、下電極、波導(dǎo)側(cè)壁、隔離板、緊固壓板都由真空金屬材料制成，如鋁合金、紫銅、無(wú)氧銅、不銹鋼等。形成金屬波導(dǎo)。
2.上電極、下電極、波導(dǎo)側(cè)壁都由鋁合金材料制成的，如LLF、LD、LY等，并在鋁合金表面經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理。如草酸氧化低溫硫酸氧化等等。形成介質(zhì)波導(dǎo)。隔離板，緊固壓板用真空金屬材料制成。
以上兩個(gè)實(shí)施例中絕緣墊由真空絕緣材料制成，如Al2O3瓷、BN陶瓷、聚四氟乙烯等，厚度為0.05～0.15mm，大小為2×5～2×10mm2。在上電極和波導(dǎo)側(cè)壁之間及下電極和波導(dǎo)側(cè)壁之間沿縱向間斷如每隔50～100mm放一塊絕緣墊，形成空氣隙。并且因絕緣墊的厚度相同，這樣形成了空氣隙對(duì)稱分布，上下電極和波導(dǎo)側(cè)壁間的兩空氣隙上下的等效電容相等實(shí)現(xiàn)了均分壓，電容的差值不大于5%。同樣上電極和隔離板之間及隔離板和緊固壓板之間的電容等效相等，差值不大于5%。
本發(fā)明由于空氣隙較小，在低氣壓工作下，(幾十乇～幾百乇)僅為分子熱運(yùn)動(dòng)自由程的幾倍，所以導(dǎo)熱效果也很好，并且采用金屬材料本身就有良好的導(dǎo)熱性，上電極可以通過(guò)上下兩個(gè)方向的串聯(lián)，雙空氣隙實(shí)現(xiàn)雙向?qū)?，所以冷卻效果好。本發(fā)明由于只用兩個(gè)電極的全金屬波導(dǎo)和介質(zhì)膜金屬波導(dǎo)激光器，它的下電極接地，上電極與普通射頻源相接使用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)金屬波導(dǎo)4×4mm2長(zhǎng)度為300mm的輸出功率達(dá)10w，效率達(dá)10%，對(duì)介質(zhì)膜波導(dǎo)輸出功率達(dá)13w，效率達(dá)13%，與一般全金屬非波導(dǎo)激光器的輸出功率和效率都比較高，全金屬介質(zhì)膜波導(dǎo)特性與95%以上Al2O3陶瓷波導(dǎo)器件相比要好。然后，它可采用鋁合金擠壓工藝，用成型材，比真空陶瓷激光器成本大大降低。
參考文獻(xiàn)專利號(hào)4805182，2/1989。
發(fā)明人Peter Laakmann，Seattle，Wash專利名稱RF-Excited，All-Metal Gas Laser
權(quán)利要求
1.一種金屬結(jié)構(gòu)的射頻激勵(lì)激光器，由電極、射頻源、緊固螺釘組成，電極是金屬材料制成，其特征是電極、波導(dǎo)側(cè)壁、隔離板、緊固壓板均由真空材料制成，電極只用上電極1和下電極2兩個(gè)電極，上電極1和下電極2之間有波導(dǎo)側(cè)壁3，上電極1和緊固壓板6之間有隔離板5，然后在波導(dǎo)側(cè)壁3和上電極1之間，波導(dǎo)側(cè)壁3和下電極2之間，在隔離板5與緊固壓板6之間，隔離板5與上電極1之間均有相同厚度的絕緣墊4，上電極1通過(guò)電極引線穿過(guò)隔離板5和緊固壓板6的孔加射頻源RF，下電極2接地，上電極1和下電極2之間的垂直距離為d。
2.按照權(quán)利要求1所述的激光器，其特征是上電極1、下電極2、波導(dǎo)側(cè)壁3如用鋁合金制成，并在其表面經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理，如草酸氧化和低溫硫酸氧化處理，形成介質(zhì)膜波導(dǎo)。
3.按照權(quán)利要求1所述的激光器，其特征是放置的絕緣墊4是沿波導(dǎo)側(cè)壁3或隔離板5的縱向間斷放置一塊厚度為0.05～0.15mm，其材料用真空絕緣材料制成的絕緣墊。
4.按照權(quán)利要求1所述的激光器，其特征是上電極1和下電極2之間的極間距離d為1～8mm。
5.按照權(quán)利要求1所述的激光器，其特征是隔離板5和緊固壓板6的中心均有一個(gè)使電極引線通過(guò)的孔，孔徑均為極間距d的5倍以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及射頻激勵(lì)全金屬波導(dǎo)激光器。它的電極、波導(dǎo)側(cè)壁、隔離板、緊固壓板均有真空金屬材料制成，形成了金屬波導(dǎo)輸出。對(duì)電極、波導(dǎo)側(cè)壁用鋁合金材料，表面經(jīng)陽(yáng)極氧化處理形成了介質(zhì)膜波導(dǎo)輸出。由于波導(dǎo)的上下有厚度相同薄的絕緣墊形成了空氣隙的對(duì)稱分布。使其等效電容相等，實(shí)現(xiàn)了均分壓射頻放電。能和普通的射頻源配套使用。由于它采用雙向?qū)?，冷卻效果好。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝方便，使成本大大降低，能推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01S3/00GK1055839SQ9110308
公開日1991年10月30日 申請(qǐng)日期1991年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1991年5月15日
發(fā)明者辛建國(guó), 魏光輝, 閻平 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)