專利名稱：射頻激勵(lì)快速軸流一氧化碳激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體激光裝置，尤其是大功率一氧化碳(CO)激光器。
在1994年公開的名稱為《激光振蕩器》，專利號(hào)DE4331054的德國(guó)專利和1986年公開的名稱為《CO2激光裝置》，專利號(hào)為昭63-148695的日本專利中均對(duì)交流及射頻激勵(lì)快速軸流CO2激光器的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)描述。在德國(guó)專利DE4331054中所公開的激光器是包括有放電管與放電管連通的氣體循環(huán)系統(tǒng)、激光放電管的裝置、分別設(shè)置在放電管兩端的全反射鏡和部分放射鏡，這種裝置用在溫度需求不是很低的情況下，如CO2激光器中是可行的，但是用在溫度更低的情況下，如CO激光器中就存在一些缺陷，這些缺陷主要有1.由于CO工作氣體的激光能級(jí)結(jié)構(gòu)完全不同于CO2氣體，因此這種結(jié)構(gòu)不適合對(duì)CO產(chǎn)生最有效的激光振蕩，特別是這類結(jié)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)不能產(chǎn)生低的工作氣體溫度以達(dá)到高的電光轉(zhuǎn)換效率；2.這種結(jié)構(gòu)高速氣流是從激光腔的兩端沿軸向流入放電管，這給兩端附近的密封和光學(xué)鏡片帶來(lái)很大麻煩，特別是氣體溫度在100-120°K時(shí)；3.沒有考慮射頻外電極的截面形狀對(duì)射頻放電橫向均勻性及對(duì)激光束質(zhì)量的影響；4.沒有考慮射頻外電極對(duì)軸流方向所夾傾角對(duì)射頻放電縱向均勻性乃至于激光輸出功率的影響。
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換頻率高、輸出功率大、光束質(zhì)量好的橫向射頻激勵(lì)快速軸流CO激光器。
針對(duì)已有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明對(duì)激光系統(tǒng)加以改進(jìn)以適用于CO激光器，本發(fā)明的激光系統(tǒng)包括激光諧振腔和與之相連通的氣體循環(huán)系統(tǒng)，其中諧振腔包括放電管、設(shè)于放電管間的中心部件，設(shè)置在各放電管外并連接射頻源以激勵(lì)放電管的射頻電極，及諧振腔的端部件，諧振腔的一端部件內(nèi)設(shè)置與放電管一端相對(duì)的一全反射鏡，放電管光輸出端的端部件內(nèi)設(shè)置一部分反射鏡；氣體循環(huán)系統(tǒng)包括氣流泵和使其與諧振腔兩端部件和放電管間的中心部件相連通和氣流通道，在氣流通道上設(shè)有熱交換器。為解決已有技術(shù)在低溫下轉(zhuǎn)換效率低及密封等問題，本發(fā)明采用了與已有技術(shù)中氣流方向不同的氣體循環(huán)系統(tǒng)，即氣流泵的氣流輸出通道經(jīng)熱交換器連接兩放電管間的中心部件入口，這主要是防止低溫CO氣體從諧振腔兩端進(jìn)入放電區(qū)時(shí)給反射鏡帶來(lái)的霧化和兩端難以密封的缺陷，諧振腔兩端部為氣流出口并分別經(jīng)兩交換器和氣流通道連接氣流泵的氣體入口，利用該兩熱交換器對(duì)從諧振腔兩端部件氣流出口流出的在放電過(guò)程中升溫的氣體進(jìn)行預(yù)冷卻。由于沿放電管軸向放電氣體具有較大的溫度梯度，并引起氣體密度沿軸向的變化，這在快速軸流放電中相應(yīng)地誘導(dǎo)了放電阻抗沿軸向的改變。為了對(duì)此進(jìn)行彌補(bǔ)，即要沿軸向逐漸降低射頻電場(chǎng)的E/N值，即電場(chǎng)強(qiáng)度與粒子數(shù)濃度之比；同時(shí)在增加縱向輸入功率密度時(shí)，要避免發(fā)生α放電(一種均勻穩(wěn)定的低電流射頻放電)向γ放電(一種不穩(wěn)定的高電流射頻放電)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的縱向不穩(wěn)定放電，以獲得最佳電光轉(zhuǎn)換效率和最大輸入功率密度，在射頻電極和放電管管壁之間設(shè)置可以調(diào)節(jié)射頻電極和放電管管壁之間傾角的絕緣調(diào)節(jié)架，射頻電極是自靠近中心部件的一端向另一端延伸張開一傾角，該傾角應(yīng)小于50毫弧度。為使高速氣流通過(guò)時(shí)，阻力最小，同時(shí)在溫度梯度很大時(shí)放電管不破裂，并防止管壁升溫而影響密封。放電管的兩端口均采用卷邊形狀，并設(shè)置密封圈。
采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)使激光器能夠很好的應(yīng)用CO工作氣體，因而能在較低的工作氣體溫度下工作，以達(dá)到高的電光轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)解決了氣體激光器在低溫高速工作氣流狀態(tài)下密封、鏡片霧化損壞等問題，并可獲得轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率大、光束質(zhì)量好的特性。


圖1是本發(fā)明CO激光系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的中間部件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是激光諧振腔中放電管與外置射頻電極的橫截面關(guān)系圖。
圖4為本發(fā)明的激光諧振腔端部件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為二級(jí)液氮熱交換器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為采用兩組放電管并列設(shè)置的折疊式線性激光諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7(a，b)為實(shí)施例中射頻放電管橫向截面的兩個(gè)不同放電狀態(tài)圖。
圖8是實(shí)施例中不同的電極和軸流縱向傾角時(shí)，激光器輸出功率和總電光轉(zhuǎn)換效率與射頻輸入功率的關(guān)系。
圖9為不同的工作氣壓下，最大激光功率和相應(yīng)的質(zhì)流量與射頻輸入功率的關(guān)系。
下面結(jié)合附圖1-9對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和實(shí)施例做一詳細(xì)介紹本發(fā)明實(shí)施例的激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括激光諧振腔和氣體循環(huán)系統(tǒng)兩部分，諧振腔包括放電管61，設(shè)置在放電管61間的中心部件60，設(shè)置在放電管外連接射頻源的射頻電極51和諧振腔的端部件62，在諧振腔的一個(gè)端部件62內(nèi)設(shè)有一個(gè)曲率半徑20米的5微米波長(zhǎng)全反射鏡632，曲率半徑可為5～50米，在另一個(gè)端部件62內(nèi)設(shè)有一個(gè)部分反射鏡631，其為透光率為20～40％的平面鏡，實(shí)施例中采用30％透光率平面鏡。
激光諧振腔還可采用折疊腔結(jié)構(gòu)，如圖6所示，它包括兩組并列設(shè)置的放電管61和射頻電極51，在諧振腔一端部件內(nèi)與一組放電管61端口相對(duì)設(shè)有一全反射鏡632，與該端部件內(nèi)另一組放電管61端口相對(duì)設(shè)有一部分反射鏡631，在另一端部件內(nèi)分別與兩組放電管61的兩端口相對(duì)設(shè)置兩個(gè)45°折射鏡633，以在形成激光回路時(shí)輸出線偏振光。該結(jié)構(gòu)包括四個(gè)放電區(qū)，故可輸出更大的激光功率，同時(shí)由于激光諧振腔的加長(zhǎng)而進(jìn)一步改善了光束質(zhì)量。為補(bǔ)償橫向殘余放電非均勻性，四對(duì)放電電極相互旋轉(zhuǎn)成45°角設(shè)置。
氣體循環(huán)系統(tǒng)包括有一渦流泵65和使渦流泵65與諧振腔兩端部件62和放電管61間的中心部件61相連通的氣流通道64，在氣流通道64上分別設(shè)置一個(gè)二級(jí)熱交換器72和兩個(gè)水冷熱交換器71。為實(shí)現(xiàn)較高的電光轉(zhuǎn)換效率和輸出較高的功率，激光系統(tǒng)中應(yīng)具有較高速的氣流和相對(duì)較低的工作溫度。因此在實(shí)施例中氣流泵65采用1500米/小時(shí)的渦流泵，可在放電區(qū)入口，即中心部件60內(nèi)產(chǎn)生200米/秒的工作氣流。由于高速低溫的工作氣流會(huì)給激光系統(tǒng)帶來(lái)不利影響，因此本發(fā)明采用了與已有技術(shù)中氣流方向相反的工作氣流流向，如圖1中箭頭所示，從結(jié)構(gòu)上來(lái)講就是將渦流泵65的氣流輸出通道經(jīng)熱交換器72連接諧振腔放電管61的中心部件60的入口，氣流經(jīng)與中心部件60相接的放電管61的端口流入，并經(jīng)另一端口從兩端部件62的出口流出，在放電管61中受射頻電極51的激勵(lì)下產(chǎn)生放電激發(fā)，諧振腔兩端部件62氣流出口分別經(jīng)兩熱交換器71和氣流通道64連接渦流泵65的氣流入口，在射頻電極51和放電管62管壁之間設(shè)置了可調(diào)節(jié)射頻電極51和放電管61管壁之間傾角的絕緣調(diào)節(jié)架511，傾角應(yīng)小于50毫弧度，在這里采用如圖3c所示方式設(shè)置，傾角20毫弧度，且為了補(bǔ)償因放電管61存在的或多或少的橫向放電不均勻性而引起的光束質(zhì)量下降，將兩對(duì)射頻電極51設(shè)置成相互90°垂直。射頻電極51的截面形狀可采用圖3a所示的形狀，其中R表示柱面射頻電極51內(nèi)表面的曲率半徑，W表示電極的截面寬度，1表示射頻源。由于射頻放電的橫向均勻特性與參量R和W密切相關(guān)，在一定的輸入功率密度和工作氣壓條件下，若R與放電管61外徑過(guò)于接近，而且W過(guò)窄的話，將難以得到均勻穩(wěn)定的橫向放電。為了提高α型放電向γ型放電轉(zhuǎn)換時(shí)閾值電流密度，在實(shí)施例中我們采用的放電管61直徑為17毫米R(shí)＝20毫米，W＝24.5毫米，它對(duì)應(yīng)的電極51示意圖如圖3b所示。為實(shí)現(xiàn)電極形狀，并確保加工后的電極內(nèi)表面成為半徑為R的準(zhǔn)柱面，將其化解成一系列的階梯狀平面，步長(zhǎng)為0.5毫米，如圖3d所示。
中心部件60采用圖2所示的結(jié)構(gòu)，其在頂部設(shè)置一個(gè)流線上凹形正對(duì)流入氣流的氣流緩沖裝置604，在該裝置604與外防護(hù)套603的連結(jié)處鉗入一個(gè)絕熱套606以防止過(guò)冷而產(chǎn)生結(jié)霜。在高速氣體入口處，中心部件60的保護(hù)套605也通過(guò)一個(gè)絕熱圈606與氣流循環(huán)通道相連。在放電管61與中心部件60接合的部位設(shè)有耐大溫差的硅橡膠密封圈602。放電管61為圖2中所示的卷邊形。端部件62采用圖4所示結(jié)構(gòu)，高速氣流經(jīng)放電管61進(jìn)入端部62，因放電激勵(lì)而使氣體溫度升高(可達(dá)150℃以上)，為防止管壁升溫而影響密封，放電管62端口采用卷邊方式，并加耐高溫硅橡膠密封圈602密封。高溫高速氣體進(jìn)入端部62后給激光鏡片63帶來(lái)沖擊，為防止熱氣沖擊帶來(lái)?yè)p害，在放電管出口處設(shè)置了一個(gè)氣流阻限器621，它包括與氣流方向一致的引導(dǎo)管623和環(huán)繞該引導(dǎo)管外圖象與端部件62的內(nèi)壁密閉相接的擋板622，該導(dǎo)管621具有一將氣流引向循環(huán)通道64的斜切口。它可使氣流減速，并促使氣流轉(zhuǎn)向，從而有效地保護(hù)了鏡片63。
設(shè)置在中心部件60和渦流泵65間氣流通道上的熱交換器72為二級(jí)熱交換器72，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，它包括一個(gè)可不斷充入液氮的絕熱容器722，以放射形狀鉗入該容器的金屬散熱片721，作為主熱交換器，其外設(shè)有將其封閉并與散熱片721之間形成供氣流流動(dòng)空間的外殼725作為循環(huán)通道，外殼725上設(shè)有與中心部件放電管61間中心部件60相連通的氣體出口，并設(shè)有兩個(gè)分別與間接熱交換器724氣體出口相連通的氣體入口，間接熱交換器724的氣體入口與渦流泵65的氣流輸出通道相連，絕熱容器722的蒸發(fā)口經(jīng)引導(dǎo)管723分別與間接熱交換器724的散熱片相通。主熱交換器散熱片721與外殼725是靠一個(gè)耐低溫的硅橡膠圈602密封的。工作氣流經(jīng)散熱片721(可接近液氮冷卻劑的溫度)時(shí)，與之進(jìn)行熱交換而得到充分地冷卻。容器722中的液氮?jiǎng)t由于吸熱而汽化形成氮?dú)?，溫度仍然較低的氮?dú)庥靡龑?dǎo)管導(dǎo)向兩個(gè)間接熱交換器724散熱片，這樣可由散熱器片對(duì)流過(guò)間接熱交換器724內(nèi)氣流通道的工作氣流進(jìn)行預(yù)冷卻，預(yù)冷后的氣體再經(jīng)過(guò)主熱交換器散熱片721冷卻，這可大大提高致冷效率，使工作氣體達(dá)到工作溫度110°K。
圖7顯示出實(shí)施例中射頻放電管橫向截面放電狀態(tài)，實(shí)施例中放電管61為直徑17毫米，長(zhǎng)度300毫米，射頻外電極51長(zhǎng)度為225毫米，柱面曲率半徑為20毫米，寬度為24毫米。圖7a所示為在一定工作氣壓條件下(70托)，輸入功率密度為20瓦/厘米3時(shí)形成的α型穩(wěn)定放電，圖7b為在工作氣壓不變情況下，當(dāng)輸入功率進(jìn)一步增加時(shí)開始發(fā)生的射頻放電由α型向γ型不穩(wěn)定放電的轉(zhuǎn)換，此時(shí)維持α放電的離子層開始遭到破壞，電流密度向中間集中，比邊緣剩余的α型放電高出許多，這時(shí)的輸入功率密度為25瓦/厘米3，放電均勻性開始喪失，而導(dǎo)致不穩(wěn)定放電，激光振蕩將不能維持。
圖8給出了實(shí)施例中改變電極與放電管61管壁間傾角時(shí)，激光器輸出功率和總電光轉(zhuǎn)換效率與射頻輸入功率的關(guān)系。從圖中可以明顯地看出，當(dāng)所夾傾角為20毫弧度時(shí)，激光輸出功率和轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最佳值輸出功率為1.08千瓦，效率為28％，此時(shí)工作氣體的溫度為115°K，氣體壓力為105托，配比為CO∶N2∶He＝1∶1∶7，并摻入1％氧氣。
圖9給出了在不同的工作氣壓下，最大激光功率和相應(yīng)的質(zhì)流量與射頻輸入功率的關(guān)系，在實(shí)施例中，當(dāng)質(zhì)流量達(dá)到7.6克/秒時(shí)，激光輸出功率為1.08千瓦。
權(quán)利要求
1.一種橫向射頻激勵(lì)快速軸流CO激光器，它包括激光諧振腔和與之相連通的氣體循環(huán)系統(tǒng)，其中諧振腔包括放電管、設(shè)于放電管間的中心部件、設(shè)置在各放電管外連接射頻源的射頻電極和諧振腔端部件，諧振腔的一端部件內(nèi)設(shè)置有與放電管一端相對(duì)的一全反射鏡，另一端部件內(nèi)設(shè)有一部分反射鏡；氣體循環(huán)系統(tǒng)包括氣流泵和使其與諧振腔兩端部件和放電管間的中心部件相連通的氣流通道，在氣流通道上設(shè)有熱交換器；其特征在于氣流泵采用渦流泵，渦流泵的氣流出口通道經(jīng)熱交換器連接諧振腔兩放電管間的中心部件入口，諧振腔兩端部件氣流出口分別經(jīng)兩熱交換器和氣流通道連接渦流泵的氣流入口；在射頻電極和放電管管壁之間設(shè)置一調(diào)節(jié)射頻電極和放電管管壁之間傾角的絕緣調(diào)節(jié)架；與諧振腔兩端部件和中心部件連接的放電管的兩端口為卷邊形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CO激光器，其特征在于渦流泵輸出通道與放電管間中心部件間的熱交換器為二級(jí)熱交換器，它包括主熱交換器和間接熱交換器，主交換器包括以放射形狀鉗入一個(gè)可不斷充入液氮的絕熱容器的金屬散熱片，其外設(shè)有將其封閉并與散熱片之間形成供氣流流動(dòng)空間的外殼作為循環(huán)通道，外殼上設(shè)有一與放電管間中心部件相連通的氣體出口，并設(shè)有兩個(gè)分別與間接熱交換器氣體出口相連通的氣體入口，間接熱交換器的氣體入口與渦流泵氣體輸出通道連接，絕熱容器的蒸發(fā)口經(jīng)引導(dǎo)管分別與間接熱交換器的散熱片相通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CO激光器，其特征在于諧振腔由兩組并列設(shè)置的放電管組和射頻電極構(gòu)成，在諧振腔的一端部件內(nèi)與一組放電管的該端口相對(duì)設(shè)有一全反射鏡，與另一組放電管的該端口相對(duì)設(shè)有一部分反射鏡，在另一端部件內(nèi)分別與兩組放電管的兩端口相對(duì)設(shè)置兩個(gè)45°折射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CO激光器，其特征在于在諧振腔端部件內(nèi)設(shè)有一氣流阻限器，它包括一與氣流方向一致的引導(dǎo)管和環(huán)繞該引導(dǎo)管外周緣與端部件內(nèi)壁密閉相接的擋板，該導(dǎo)管具有一將氣流引向循環(huán)通道的斜切口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CO激光器，其特征在于諧振腔中心部件的頂部設(shè)置一個(gè)流線上凹形正對(duì)流入氣流的氣流緩沖裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CO激光器，其特征在于全反射鏡為曲率半徑5～50米的反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的CO激光器，其特征在于部分反射鏡為透光率為20～40％的平面鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CO激光器，其特征在于兩放電管外置的射頻電極互成90°角垂直設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利權(quán)利3所述的CO激光器，其特征在于各放電管外置的射頻電極互成45度角設(shè)置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的CO激光器，其特征在于工作氣體為CO、N2、He氣體，其比例為CO∶N2∶He＝1∶1∶7，并摻入1％的氧氣。
全文摘要
一種橫向射頻激勵(lì)快速軸流一氧化碳激光系統(tǒng),由激光諧振腔和氣體循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成,諧振腔包括放電管、中心部件,射頻電極和端部件,端部件內(nèi)設(shè)有相應(yīng)的反射鏡;氣體循環(huán)系統(tǒng)包括渦流泵和氣流通道,氣流通道上設(shè)有熱交換器。工作氣體是由放電管間的中心部件流入,從兩端部件流出,射頻電極與放電管管壁間具有一傾角,放電管的端口采用卷邊形式,設(shè)置在渦流泵與中心部件間的為二級(jí)熱交換器,用以將氣體溫度降至足夠低,以便系統(tǒng)功能得到發(fā)揮。
文檔編號(hào)H01S3/036GK1198607SQ9711174
公開日1998年11月11日 申請(qǐng)日期1997年5月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月6日
發(fā)明者虞鋼 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所