專利名稱：脈沖氣體激光發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)氣體激光媒質(zhì)進(jìn)行放電激勵(lì)產(chǎn)生激光的脈沖氣體激光發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
例如，氮(N2)激光器或準(zhǔn)分子激光器等紫外線區(qū)域的脈沖氣體激光發(fā)生裝置正在應(yīng)用于熒光分析或采用氣體吸光等的遙感裝置，或光化學(xué)反應(yīng)過程的應(yīng)用，以及其它激光裝置方面。然而，作為這種脈沖氣體激光發(fā)生裝置，實(shí)用上使用的是采用沿激光振蕩光軸的長(zhǎng)電極的、由紫外光預(yù)電離產(chǎn)生橫向放電激勵(lì)方式的裝置。
但是，在橫向放電激勵(lì)方式的脈沖氣體激光發(fā)生裝置中，放電區(qū)難以均勻激勵(lì)，每個(gè)脈沖的激光輸出容易發(fā)生晃動(dòng)。在這種橫向放電激勵(lì)方式的脈沖氣體激光發(fā)生裝置中，由于輸出激光束的橫斷面形狀是長(zhǎng)方形等非圓形，故通常用圓形光纖傳送情況下，作為激光裝置的傳輸效率低。
作為解決這種不當(dāng)?shù)姆绞?，有如特開平1-103889、特開平4-25187號(hào)、特開平8-316550號(hào)、或特開平9-83042號(hào)公報(bào)中所揭示的采用激光光軸方向即縱向的放電激勵(lì)的方式?？v向放電激勵(lì)方式本身已知的有He-Ne激光管、氬激光管、CO2激光管等。但它們通常是將高電壓脈沖疊加在施加電壓上開始放電的。
縱向放電激勵(lì)方式的脈沖氣體激光發(fā)生裝置如圖19所示其原理結(jié)構(gòu)，備有氣體激光管11，和電連接有向氣體激光管11供給工作起始觸發(fā)電壓及工作電壓的電源裝置12。該電源裝置12具有高電壓發(fā)生器和高電壓觸發(fā)電源，經(jīng)儲(chǔ)能電容器13連接于激光管11。
激光管11在作為真空容器的圓筒狀絕緣管11a的內(nèi)部，以規(guī)定壓力封入如氮?dú)庾鳛榧す饷劫|(zhì)14。進(jìn)而絕緣管11a兩端部用輸出反射鏡17及高反射鏡18真空密封，且其內(nèi)部附近設(shè)有構(gòu)成一對(duì)放電用電極的圓筒狀陰極15及陽極16。
這樣的氮?dú)饧す庋b置，從電源裝置12內(nèi)的觸發(fā)電路將高觸發(fā)電壓加在陽極與陰極之間，該觸發(fā)電壓引起陽極16與陰極15間媒體氣體的電絕緣破壞，存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電容器13的電荷流經(jīng)陽極與陰極間激活激光媒質(zhì)。由此，在高反射鏡18與輸出反射鏡17之間引起光諧振，從輸出反射鏡17輸出激光。
這種縱向放電激勵(lì)方式的脈沖氣體激光發(fā)生裝置的優(yōu)點(diǎn)是可獲得斷面圓形的輸出激光。但是，為了穩(wěn)定進(jìn)行高重復(fù)激光振蕩，必須在陰極與陽極間施加相當(dāng)高的觸發(fā)電壓及主放電電壓。一旦這樣做，就會(huì)在陰極或陽極發(fā)生稱為亮點(diǎn)的放電電流局部集中的現(xiàn)象，有時(shí)會(huì)引起陰極或陽極材料的濺蝕。這種濺蝕會(huì)出現(xiàn)污染反射鏡降低激光振蕩效率、或附著于構(gòu)成主放電電路的絕緣管內(nèi)面降低耐壓性能等缺點(diǎn)。
從橫斷面看激光束，預(yù)電離不充分引起中央部分激勵(lì)不夠，引起環(huán)狀強(qiáng)度分布或各脈沖輸出不穩(wěn)定，不一致等，需作進(jìn)一步改進(jìn)。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種脈沖氣體激光發(fā)生裝置，該裝置在主放電電極不發(fā)生亮點(diǎn)，能進(jìn)行高重復(fù)脈沖振蕩且獲得橫斷面為圓形強(qiáng)度分布均勻的輸出激光束。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，按照第一主電極、形成主放電電路用的絕緣體制筒狀放電管及第二主電極的順序縱向配置且內(nèi)部有媒體氣體，在這些第一主電極及第二主電極的外側(cè)配置構(gòu)成光諧振器的一對(duì)反射鏡，進(jìn)而備有將主放電用電壓加在第一主電極及第二主電極間的電源裝置。在第一主電極或第二主電極的至少一主電極附近具有筒狀介質(zhì)體和鄰接該筒狀介質(zhì)體配置的輔助電極，并具有工作時(shí)將電壓加給該輔助電極使在筒狀介質(zhì)體的內(nèi)側(cè)區(qū)域產(chǎn)生等離子電極的輔助電極電壓施加手段。
附圖概述圖1為表示本發(fā)明一實(shí)施例主要部分的縱剖面及接線圖。
圖2為說明圖1實(shí)施例工作的原理圖及說明施加電壓大小用的曲線圖。
圖3為說明上述圖1實(shí)施例動(dòng)作的曲線圖。
圖4為說明適合本發(fā)明實(shí)施范圍的曲線圖。
圖5為表示本發(fā)明另一實(shí)施例主要部分的縱剖面圖。
圖6為表示本發(fā)明再一實(shí)施例主要部分的縱剖面圖。
圖7為表示本發(fā)明再一實(shí)施例主要部分的縱剖面圖。
圖8為表示本發(fā)明再一實(shí)施例主要部分的縱剖面圖。
圖9為表示本發(fā)明再一實(shí)施例主要部分的縱剖面圖及接線圖。
圖10為說明圖9實(shí)施例工作的原理結(jié)構(gòu)圖。
圖11為表示本發(fā)明再一實(shí)施例的原理結(jié)構(gòu)圖。
圖12為說明圖11工作的波形圖。
圖13為表示本發(fā)明再一實(shí)施例的原理結(jié)構(gòu)圖。
圖14為說明圖13工作的波形圖。
圖15為表示本發(fā)明再一實(shí)施例的主要部分的縱剖面圖。
圖16為表示本發(fā)明再一實(shí)施例的主要部分的縱剖面圖。
圖17為表示本發(fā)明再一實(shí)施例的主要部分的縱剖面圖及接線圖。
圖18為表示本發(fā)明再一實(shí)施例的主要部分的縱剖面圖及接線圖。
圖19為說明已有例用的原理結(jié)構(gòu)圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說明下面參照


其實(shí)施例。相同部分用同一標(biāo)號(hào)表示。圖1所示實(shí)施例，在規(guī)定壓力下將氮?dú)夥馊敕烹姽?1的內(nèi)部作為激光用媒體氣體，該放電管21由構(gòu)成脈沖氣體激光管的真空容器的圓筒狀絕緣陶瓷構(gòu)成。該放電管21的圖示左側(cè)真空密封連接有其內(nèi)表面具有輸出反射鏡膜的玻璃板制的輸出反射鏡22，在圖示右側(cè)真空密封連接有其內(nèi)表面具有高反射的反射鏡膜的玻璃板制的高反射反射鏡23，構(gòu)成光諧振器。
然后，構(gòu)成主放電電路的放電管21在激光光軸方向縱向配置密封連接有其間挾有金屬環(huán)構(gòu)成的中間電極26的由絕緣陶瓷制相同內(nèi)徑的第一圓筒部21a，及第二圓筒部21b。在連接于兩圓筒部21a、21b的中間電極26部分的內(nèi)側(cè)配置有金屬圓筒構(gòu)成的中間電極圓筒部26a。中間電極26還連接有金屬排氣管26b。
放電管的第一圓筒部21a的圖示左端部密封連接有內(nèi)表面露出放電電路的陰極25，外周上密封嵌合配置有從陰極25延長(zhǎng)的第一外導(dǎo)體31。該第一外導(dǎo)體31的另一端部31b延長(zhǎng)到中間電極圓筒部26a端部附近對(duì)應(yīng)的位置。
在陰極25圖示左方密封連接有高介質(zhì)常數(shù)陶瓷構(gòu)成的介質(zhì)圓筒40，再在其左端密封連接由金屬環(huán)構(gòu)成的輔助電極41，該輔助電極41密封連接輸出反射鏡22。這些陰極25、輔助電極41及挾于它們間的介質(zhì)圓筒40如下文所述，在工作中在介質(zhì)圓筒40的內(nèi)表面及該內(nèi)側(cè)區(qū)域生成等離子陰極25a。這樣一來，在內(nèi)部對(duì)合的等離子陰極25a與中間電極圓筒部26a之間構(gòu)成第一放電電路20a。
在放電管第二圓筒部21b的圖示右端，密封連接有金屬環(huán)構(gòu)成的陽極24，在該陽極24的前端密封連接高反射的反射鏡23。這樣，在內(nèi)部對(duì)合的中間電極圓筒部26a與陽極24之間構(gòu)成第二放電電路20b。這些第一放電電路20a與第二放電電路20b的軸向長(zhǎng)度比如下文所述，設(shè)定成規(guī)定比率。然后，放電管21的內(nèi)部在經(jīng)排氣管26b排完氣后，將氮?dú)獍匆?guī)定壓力密封于放電管內(nèi)部，之后，封切排氣管26b。
在放電管第二圓筒部21b的外周緊密嵌合配置相同金屬圓筒構(gòu)成的第二外導(dǎo)體32。該第二外導(dǎo)體32的一端部32a固定于陽極24進(jìn)行電短路連接，另一端32b延長(zhǎng)配置到中間電極圓筒部26a端部附近對(duì)應(yīng)的位置。
在放電管第二圓筒部21b及第二外導(dǎo)體32的周圍，同軸配置圓筒形同軸型儲(chǔ)能電容器30。該同軸型儲(chǔ)能電容器30在其由高介電常數(shù)陶瓷構(gòu)成的圓筒狀介質(zhì)體30a的內(nèi)周面及外周面分別連接內(nèi)周電極30b和外周電極30c。一端的內(nèi)周電極30b通過導(dǎo)電性及機(jī)械強(qiáng)度高的導(dǎo)體環(huán)34直接結(jié)合于第二外導(dǎo)體32的圖示左側(cè)前端部32b進(jìn)行電短路連接。另一端的外周電極30c作為接地電極與第一電源裝置27的負(fù)極及地相連。同軸型電容器30的內(nèi)周電極30b電連接于第一電源裝置27的正極端。
這樣一來，儲(chǔ)存主放電用電荷的同軸型儲(chǔ)能電容器30的正極側(cè)經(jīng)半導(dǎo)體環(huán)34直接連接于靠近配置在氣體激光管中間電極部分的第二外導(dǎo)體前端部32b的四周，呈電短路連接狀態(tài)。導(dǎo)體環(huán)34兼有將同軸型電容器30機(jī)械支撐于激光管的功能。且同軸型電容器30用未圖示的絕緣樹脂覆蓋。
中間電極26及陰極側(cè)輔助電極41從第二電源裝置28分別經(jīng)過限制觸發(fā)電流用高電阻元件29a、29b進(jìn)行電連接以提供脈沖狀觸發(fā)電壓。該第二電源裝置28產(chǎn)生與脈沖激光振蕩的重復(fù)頻率相對(duì)應(yīng)的控制觸發(fā)脈沖電壓，用內(nèi)部電源或脈沖變壓器等構(gòu)成。然后從該第二電源裝置28進(jìn)行連接以便將觸發(fā)脈沖電壓加給中間電極26。
下面，用圖2及圖3說明圖1所示激光發(fā)生裝置的驅(qū)動(dòng)控制方法及動(dòng)作例。圖2(a)所示距離La表示氣體激光管的陰極25與中間電極26間的第一放電電路20a的軸向長(zhǎng)度，距離Lb表示中間電極26與陽極24間的第二放電電路20b的軸向長(zhǎng)度，在該實(shí)施例中兩者的比率(Lb∶La)設(shè)定為大致(2∶1)。各放電管圓筒部?jī)?nèi)形成的各放電電路的軸向長(zhǎng)度設(shè)定的尺寸比該放電電路的直徑即各放電管圓筒部的內(nèi)徑尺寸大得多。工作中在內(nèi)表面及其內(nèi)側(cè)區(qū)域生成等離子陰極25a的介質(zhì)圓筒40的軸向長(zhǎng)度設(shè)定在第一放電電路20a的軸向長(zhǎng)度(La)的二分之一以下，最好設(shè)定在三分之一以下。
然后先在氣體激光管主放電電極對(duì)處的陰極25與陽極24之間從第一電源裝置27施加自放電開始電壓以下的直流電壓，也即將正電壓(+Vo)加到陽極24。從圖1所示結(jié)構(gòu)可見，陽極24經(jīng)過第二外導(dǎo)體32、導(dǎo)體環(huán)34及同軸型電容器30的內(nèi)周電極30b連接到第一電源裝置27的正極。與此相反，陰極25經(jīng)第一外導(dǎo)體31接地。
由此，陰極與陽極間的放電管21內(nèi)的電位梯度Eo大致為(Eo＝Vo/(La+Lb))，在該圖的(b)中用直線Eo表示。該電位梯度Eo是在放電電路中不會(huì)發(fā)生自放電的值，也即是這樣一種電位梯度，即只要放電電路中哪里也不存在電暈放電、預(yù)電離區(qū)域，該電位梯度就不會(huì)引起主放電。
其次，第二電源裝置28經(jīng)電阻29a將負(fù)脈沖狀觸發(fā)電壓(-Vt)加給中間電極26。同樣，第二電源裝置28經(jīng)電阻29b將負(fù)脈沖狀觸發(fā)電壓(-Vt)加到輔助電極41。由此，利用加到接地電位的陰極25與輔助電極41間的觸發(fā)電壓(-Vt)，使得在介質(zhì)圓筒40的內(nèi)表面及其內(nèi)側(cè)區(qū)域生成等離子陰極25a。
各電極施加上述電壓時(shí)各電極間的電位梯度具有該圖中(b)所示的關(guān)系。也即，陰極25與中間電極26間第一放電電路即第一圓筒部21a內(nèi)的電位梯度Ea的絕對(duì)值大致為(Ea＝-Vt/La)，在該圖(b)中用Ea表示。中間電極26與陽極24間第二放電電路即第二圓筒21b內(nèi)的電位梯度Eb的絕對(duì)值大致為(Eb＝(|Vo|+|Vt|/Lb)，在該圖(b)中用直線Eb表示。與此同時(shí)，因介質(zhì)圓筒40的軸向長(zhǎng)度設(shè)定在第一放電電路20a的軸向長(zhǎng)度(La)的1/2以下，較好是1/3以下，故構(gòu)成等離子陰極25a的陰極25與輔助電極41間的電位梯度Ep的絕對(duì)值具有第一圓筒部21a內(nèi)電位梯度Ea絕對(duì)值的2倍以上。
按照上述各電極間的電位梯度，在陰極25與輔助電極41間介質(zhì)圓筒40的內(nèi)側(cè)迅速生成等離子陰極25a，同時(shí)觸發(fā)電壓施加給中間電極26產(chǎn)生的電位梯度Ea、Eb的絕對(duì)值在第一及第二放電電路中的中間電極26附近區(qū)域A、B的任一處構(gòu)成的電位梯度會(huì)產(chǎn)生電暈放電、預(yù)電離，破壞絕緣。在該實(shí)施例中，各放電電路長(zhǎng)度比(Lb∶La)設(shè)定為(2∶1)，故只要各施加電壓的絕對(duì)值相等，即(|Vo|＝|Vt|)，那么各放電電路中電位梯度Ea、Eb的絕對(duì)值相互相等，在第一及第二放電電路中該電位梯度Ea、Eb會(huì)同時(shí)或基本同時(shí)引起絕緣破壞。按照這種關(guān)系預(yù)先設(shè)定各施加電壓(+Vo，-Vt)。該主放電由等離子陰極25a構(gòu)成主放電的電子供給源產(chǎn)生脈沖狀主放電。該主放電電流在陰極25與陽極24間流動(dòng)。
由此，通過對(duì)輔助電極41及中間電極26同時(shí)施加觸發(fā)電壓，生成等離子陰極25a，并且在中間電極26和靠近它的陰極側(cè)外導(dǎo)體端部31b、陽極側(cè)外導(dǎo)體端部32b附近的放電電路區(qū)域A、B，產(chǎn)生電暈放電及預(yù)電離，各放電電路中同時(shí)或大致同時(shí)引起絕緣破壞。一旦引起這種絕緣破壞，即陰極及陽極間的絕緣電阻急驟下降，則儲(chǔ)存于同軸型儲(chǔ)能電容器30的電荷先經(jīng)導(dǎo)體環(huán)34供給包圍放電管的第二外導(dǎo)體32的端部32b，再經(jīng)該外導(dǎo)體32傳送到陽極24，供給放電電路。由此通過兩放電電路產(chǎn)生主放電，激活激光媒體，產(chǎn)生脈沖激光振蕩。
用圖3進(jìn)一步補(bǔ)充說明該實(shí)施例的工作狀態(tài)。如該圖(a)所示，在陰極與陽極之間加有儲(chǔ)存于儲(chǔ)能電容器的電壓(+Vo)。然后，中間電極從某個(gè)時(shí)刻t1加有負(fù)向增大的脈沖狀觸發(fā)電壓(-Vt)，在時(shí)刻t2引起放電電路的絕緣破壞。
在該絕緣破壞的時(shí)刻t2，如圖3(b)所示，在陽極與陰極間瞬間流過大的主放電電流Id。如圖3(c)所示，該主放電電流Id引起脈沖激光振蕩，從而獲得如5毫微秒(n-sec)左右的窄脈沖寬度的激光輸出。電容器的兩端電壓，即陽極與陰極間的電壓，經(jīng)主放電瞬間下降，該主放電結(jié)束后，再經(jīng)向同軸型儲(chǔ)能電容器充電而上升。通過施加與脈沖激光振蕩重復(fù)頻率對(duì)應(yīng)的脈沖狀觸發(fā)電壓，上述動(dòng)作不斷地重復(fù)。
由此，可獲得任意重復(fù)頻率的脈沖激光輸出。然而，由于在放電電路的全程同時(shí)或大致同時(shí)引起絕緣破壞產(chǎn)生主放電，故能獲得高振蕩效率。而且，輸出激光束呈橫切面為圓形且強(qiáng)度分布均勻。
如上所述，通過圍繞放電管配置同軸電容器，使電荷傳送在全周均勻進(jìn)行，且傳導(dǎo)路徑的阻抗也小，故能進(jìn)行更高頻率的脈沖激光振蕩。
另外，因供給中間電極及等離子陰極用輔助電極的觸發(fā)電壓供給電路的阻抗極高，故主放電電流自然不流經(jīng)中間電極及輔助電極，由于施加觸發(fā)電壓引起的電流是極其微弱的電流，故無慮會(huì)對(duì)中間電極及輔助電極的材料引起濺蝕。
加給中間電極的觸發(fā)電壓(Vt)如上述實(shí)施例，如果與從儲(chǔ)能電容器加給陰極或陽極的電壓的極性相反，則加有高電壓的各構(gòu)件的耐壓性能不必要求過高，具有實(shí)用性。然而，如果各構(gòu)件的耐壓性能十分必要，則加給中間電極的觸發(fā)電壓(Vt)與儲(chǔ)能電容器加給陰極或陽極的電壓的極性可以相同，各電壓的設(shè)定使得各放電電路的電位梯度相等或大致相等。
但是，上述實(shí)施例的例子是將夾有中間電極設(shè)置在兩側(cè)的各放電電路的長(zhǎng)度(Lb∶La)設(shè)定為約(2∶1)，在陰極與陽極間將脈沖狀觸發(fā)電壓的峰值(Vt)設(shè)定成相對(duì)于電壓(Vo)為負(fù)的相等電壓。然而各放電電路長(zhǎng)度或施加的電壓不限定于此，可在獲得上述類似的工作范圍內(nèi)任意設(shè)定。
圖4示出了這種情況的曲線圖。該圖的橫軸表示各放電電路的長(zhǎng)度比(Lb∶La)，縱軸表示各施加電壓及各放電電路的電位梯度的比。這些各施加電壓比、電位梯度比表示用某個(gè)絕對(duì)值計(jì)算的值。該曲線圖中的曲線R表示各放電電路中電位梯度(Ea，Eb)相等的觸發(fā)電壓(-Vt)與陰極-陽極間電壓(Vo)的比(R＝|Vt|/|Vo|)的計(jì)算結(jié)果。曲線S表示此時(shí)各放電電路中電位梯度(Ea，Eb)與陰極-陽極間電壓(Vo)產(chǎn)生的電位梯度(Eo)比(S＝(Ea，或Eb)/Eo)的計(jì)算結(jié)果。
因此，從該曲線可見，當(dāng)將各放電電路的長(zhǎng)度比(Lb/La)設(shè)定為如1.5時(shí)，各放電電路中電位梯度相等的各施加電壓的比R為(R＝|Vt|/|V0|＝2)，此時(shí)的電位梯度比S為(S＝(Ea，或Eb)/Eo＝5)。當(dāng)各放電電路的長(zhǎng)度比設(shè)定為3時(shí)，可見各放電電路中電位梯度相等的各施加電壓的比R為0.5，此時(shí)的電位梯度比S為2。
從上述關(guān)系可適當(dāng)?shù)卦O(shè)定各放電電路長(zhǎng)度及各施加電壓，但適用上各放電電路長(zhǎng)度的比(Lb/La)大致在1.5～4.0范圍內(nèi)。各施加電壓的比在各放電電路中電位梯度相等條件下，使電位梯度比(S＝(Ea，或Eb)/Eo)大致在1.7～5.0范圍為宜。但是，各放電電路的電位梯度(Ea，Eb)即使未必相等，也會(huì)因大致同時(shí)引起絕緣破壞而可將兩電位梯度比(Ea/Eb)定在1.0±0.5，最好定在1.0±0.3。
圖5所示實(shí)施例用多根導(dǎo)線將電場(chǎng)集中用細(xì)導(dǎo)體環(huán)31c，32c從延長(zhǎng)到靠近中間電極26配置的第一、第二外導(dǎo)體31、32的各端部突出加以配置。如圖所示，這些細(xì)導(dǎo)體環(huán)31c，32c也可配置成重疊在中間電極圓筒部26a兩端部的外周位置上，或也可配置在不重疊但靠近的位置上。也可只在任一外導(dǎo)體上設(shè)置。
按照該實(shí)施例，由于電場(chǎng)集中在各細(xì)導(dǎo)體環(huán)31c，32c，故施加觸發(fā)電壓時(shí)電暈放電、伴隨它的預(yù)電離的產(chǎn)生效率更高，可獲得良好的脈沖激光振蕩。
圖6所示實(shí)施例，中間電極圓筒部26a和各外導(dǎo)體的各端部31b、32b配置成在長(zhǎng)度方向上重疊規(guī)定距離m、n。利用該實(shí)施例，在相互重疊區(qū)域附近的放電電路中也能高效產(chǎn)生電暈放電、伴隨該電暈放電的預(yù)電離，能獲得良好的脈沖激光振蕩。
圖7所示實(shí)施例，在第一外導(dǎo)體端部31b、第二外導(dǎo)體端部32b內(nèi)側(cè)的放電管內(nèi)分別配置細(xì)導(dǎo)體環(huán)26c、26d，再用如3根導(dǎo)線26e、26f將它們電連接到中間電極的圓筒部26a加以機(jī)械支撐。
按照該實(shí)施例，由于在連接中間電極26的細(xì)導(dǎo)體環(huán)26a、26b附近會(huì)產(chǎn)生因施加觸發(fā)電壓引起的高電場(chǎng)，故進(jìn)一步容易產(chǎn)生電暈放電和伴隨電暈放電的預(yù)電離。
圖8所示實(shí)施例，在放電管的中間電極圓筒部26a與第一外導(dǎo)體端部31b和第二外導(dǎo)體端部32b之間區(qū)域的內(nèi)外兩側(cè)，使細(xì)外部導(dǎo)體環(huán)31c、32c與細(xì)內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)26c、26d相對(duì)配置。按照該實(shí)施例，在相對(duì)的內(nèi)外導(dǎo)體環(huán)附近產(chǎn)生更高的觸發(fā)用電場(chǎng)，故更容易引起電暈放電和伴隨電暈放電的預(yù)電離。
在上述縱向激勵(lì)的脈沖激光發(fā)生裝置中，對(duì)于輸出激光束橫斷面形狀與其強(qiáng)度分布，本發(fā)明人找到了圖9和圖10所示關(guān)系。也即，圖9是省略了生成等離子陰極或等離子陽極的輔助電極的實(shí)施例，該裝置中，第一電源裝置27經(jīng)同軸型儲(chǔ)能電容器30將主放電用電壓加到陰極25與陽極24之間，中間電極26加有高重復(fù)觸發(fā)脈沖電壓，從而產(chǎn)生脈沖激光振蕩。
然而，如圖10(a)所示，在連接同軸型儲(chǔ)能電容器30的電極，即陽極側(cè)的放電管的內(nèi)周配置筒狀外導(dǎo)體，且將同軸型儲(chǔ)能電容器30直接短路連接到應(yīng)在主放電電路中感應(yīng)預(yù)電離的位于靠近中間電極26處的外導(dǎo)體端部32b的情況下，如該圖(b)所示，可獲得橫斷面上強(qiáng)度分布均勻的圓形輸出激光束。
與此相反，在將儲(chǔ)能電容器30直接連接于外導(dǎo)體的相反側(cè)端部32a或連接該端部的電極即陽極24本身的情況下，如圖(c)所示，構(gòu)成在橫斷面中央部分基本沒有激光強(qiáng)度分布的可說是環(huán)狀的輸出激光束。
下面說明如果將同軸型儲(chǔ)能電容器30直接短路連接到延長(zhǎng)至中間電極26附近的外導(dǎo)體端部32b時(shí)能獲得橫斷面上強(qiáng)度分布均勻的圓形輸出激光束的原因。也即，認(rèn)為是因?yàn)閮?chǔ)存在同軸型儲(chǔ)能電容器30的電荷首先傳送到位于中間電極附近的外導(dǎo)體端部32b，在靠近此處的放電電路的區(qū)域B、A引起預(yù)電離，同時(shí)，電荷從該外導(dǎo)體端部32b沿該外導(dǎo)體32的內(nèi)外表面以大致相當(dāng)于光速的速度移動(dòng)，導(dǎo)向陽極，由此，在放電管內(nèi)部產(chǎn)生電子電場(chǎng)發(fā)射，從而產(chǎn)生主放電電路的絕緣破壞。這樣一來，通過在放電管內(nèi)部沿放電方向產(chǎn)生均勻的等離子體，該等離子體和中間電極近旁的電暈放電引起預(yù)電離，故在放電管內(nèi)能生成均勻的主放電。只要在陰極或陽極的至少一方有生成等離子電極的手段，就能在放電電路的全程有利于產(chǎn)生更均勻的主放電。
由此，利用放電電路中絕緣破壞在包圍放電管的在第二外導(dǎo)體的端部32b與中間電極圓筒部26a的端部之間區(qū)域的放電電路上，因電暈放電、預(yù)電離、電荷移動(dòng)而在放電電路內(nèi)發(fā)射均勻的電子，取放電方向?yàn)榇咕€的平面上產(chǎn)生均勻的放電。因此，在橫斷面觀測(cè)放電電路的中間部分也能產(chǎn)生強(qiáng)的激光振蕩，能獲得圓形且強(qiáng)度分布均勻的輸出激光束。通常，利用圓形斷面的光纖可將這樣的激光束高效傳送到激光利用裝置。
圖11所示實(shí)施例，是將第一電源裝置27及第二電源裝置即觸發(fā)電壓電源28都設(shè)定為交流電源。然而，兩交流電源如圖12所示構(gòu)成頻率相當(dāng)于脈沖激光振蕩重復(fù)的頻率，具有恰好或大致180°的相位差，構(gòu)成相等的峰值電壓。且二極管35串聯(lián)連接到儲(chǔ)能電容器30。
按照該實(shí)施例，如圖12(a)所示，在各交變電壓在放電管內(nèi)引起絕緣破壞的電壓的相位α1產(chǎn)生主放電，如圖12(b)所示，引起脈沖激光振蕩。電容器30的電壓(Vo)，若主放電假定不產(chǎn)生，則如符號(hào)Vp所示，仍保持向電容器充電的大致為交流電源電壓的原峰值，但因主放電即重復(fù)激光振蕩，則如該圖中粗實(shí)線所示，隨主放電重復(fù)電壓下降、上升。
若主放電用電壓為直流充電，會(huì)出現(xiàn)在放電電路中引起絕緣破壞的觸發(fā)電壓變低而激光輸出與交流驅(qū)動(dòng)相比變小的情形，或出現(xiàn)觸發(fā)電壓上升邊速度產(chǎn)生偏差使激光振蕩不穩(wěn)或產(chǎn)生晃動(dòng)的情形，但按照該實(shí)施例，如是交流驅(qū)動(dòng)，則絕緣破壞的時(shí)間幾乎沒有偏差，能保持穩(wěn)定的激光振蕩。由于加給各電源元件或電容器、絕緣體制構(gòu)件等的平均電壓比直流情況時(shí)小，故各元件不會(huì)惡化，有利于提高激光振蕩裝置的可靠性。
圖13所示實(shí)施例，是一個(gè)使用單一脈沖電源50進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的裝置。也即，脈沖電源50經(jīng)脈沖變壓器51將其輸出電壓供給各電極。符號(hào)Da是將主放電用負(fù)電荷存儲(chǔ)于儲(chǔ)能電容器的二極管，Db及Dc是將正觸發(fā)脈沖加給中間電極26及輔助電極41用的二極管。
然而，該實(shí)施例的情形是，圖示右側(cè)是陰極25，圖示左側(cè)是由陽極24、輔助電極41及介質(zhì)圓筒40構(gòu)成的在內(nèi)側(cè)區(qū)域生成等離子陽極24a的結(jié)構(gòu)。也即，主放電電流由等離子陽極24a的陽離子構(gòu)成供給源。
在該實(shí)施例的工作中，由脈沖電源50產(chǎn)生規(guī)定重復(fù)頻率的負(fù)的脈沖峰值電壓。圖14(a)所示波形表示脈沖變壓器51的次級(jí)點(diǎn)F的波形。它在時(shí)間軸t的某個(gè)時(shí)刻t1、t2、t3間激烈變化。在連接于中間電極26及輔助電極41的電路點(diǎn)G施加有如圖14(b)所表示的正脈沖電壓。由此，在夾于陽極24和輔助電極41的介質(zhì)圓筒40的內(nèi)側(cè)區(qū)域生成等離子陽極24a，同時(shí)由中間電極26引起兩側(cè)放電電路的絕緣破壞產(chǎn)生的主放電。
此外，電容器30及陰極25的電路點(diǎn)H產(chǎn)生圖14(c)所示波形的電荷儲(chǔ)能及時(shí)間軸中從t2至t3的瞬間主放電。由此，在時(shí)間軸中從t2至t3間輸出窄脈沖寬度的激光束。然后重復(fù)上述工作。按照該實(shí)施例，不用氣隙開關(guān)(gapswitch)能夠產(chǎn)生重復(fù)比較快的脈沖激光振蕩。如從以上說明所見到的，結(jié)構(gòu)上在陰極或陽極即第一主電極或第二主電極的一主電極附近或兩主電極附近設(shè)置筒狀介質(zhì)體和鄰接該筒狀介質(zhì)體配置的輔助電極，故工作時(shí)在筒狀介質(zhì)體內(nèi)側(cè)區(qū)域能生成等離子電極。
然而，這種等離子陰極或等離子陽極等的等離子電極可認(rèn)為是沿筒狀介質(zhì)體內(nèi)側(cè)表面的電暈放電和漂移放電復(fù)合作用的結(jié)果。
圖15所示實(shí)施例是等離子電極即等離子陰極、或等離子陽極的另一例。該例包圍陶瓷介質(zhì)圓筒40中央部的薄壁圓筒部配置有環(huán)狀輔助電極41，再用陶瓷絕緣圓筒進(jìn)一步包圍其外側(cè)，實(shí)質(zhì)上在內(nèi)部裝有輔助電極40。然后，在介質(zhì)圓筒40的兩端部配置陰極25、環(huán)狀輔助電極25b，同時(shí)，用配置它們覆蓋介質(zhì)圓筒40外周的導(dǎo)體圓筒25c電短路連接這些陰極25及環(huán)狀輔助陰極25a。輔助電極41經(jīng)高阻抗元件29b連接未圖示的脈沖觸發(fā)電源。
由此，工作時(shí)，利用加在陰極25(或陽極24)與輔助電極41間的高電壓，在介質(zhì)圓筒40內(nèi)表面及其內(nèi)側(cè)區(qū)域生成等離子電極25a。從而，進(jìn)一步可靠防止主放電電流流入輔助電極41并防止產(chǎn)生濺蝕。
圖16所示實(shí)施例是，將介質(zhì)圓筒40分割成多個(gè)，例如2個(gè)并排設(shè)置，包圍各自的介質(zhì)圓筒40的一部分配置輔助電極41，實(shí)質(zhì)上裝在內(nèi)部。然后，在鄰接的介質(zhì)圓筒40間配置環(huán)狀第二輔助陰極25d，利用兩側(cè)的陰極25、第一輔助陰極25b和導(dǎo)體圓筒25c進(jìn)行電短路連接。各輔助電極41經(jīng)高阻抗元件29b連接未圖示的脈沖觸發(fā)電源。按照該實(shí)施例，在各介質(zhì)圓筒40的內(nèi)表面及內(nèi)側(cè)區(qū)域更容易生成等離子電極。
圖17所示實(shí)施例是省略中間電極的脈沖氣體激光發(fā)生裝置。圖中，符號(hào)21表示單個(gè)放電管，24表示陽極，25a表示等離子陰極，Cp表示建峰電容器，L表示電感器，S表示氣隙開關(guān)，R表示保護(hù)電阻。
該實(shí)施例裝置的工作中，開關(guān)S開路(開)期間，高電壓電源27經(jīng)阻抗R及電感器L向電容器30充電。一旦氣隙開關(guān)S閉合(閉)，則電容器30中電荷移向建峰電容器Cp。此時(shí)，介質(zhì)圓筒40的內(nèi)側(cè)生成等離子陰極25a，同時(shí)，至陽極24的放電電路的絕緣受到破壞，激活激光媒體，產(chǎn)生激光振蕩。該實(shí)施例情況下，主放電電流在等離子陰極25a的輔助電極41與陽極24間流動(dòng)。但是，主放電電流的供給源是等離子陰極，故不會(huì)發(fā)生亮點(diǎn)或來自金屬電極的濺蝕，能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的脈沖激光振蕩。
圖18所示實(shí)施例，在放電管21的外周卷繞圓筒狀外導(dǎo)體32，同時(shí)進(jìn)一步同軸配置同軸型建峰電容器Cp。連接于同軸型電容器Cp的圓筒狀介質(zhì)體30a的內(nèi)周的內(nèi)周電極30b電連接于連接電源裝置27的儲(chǔ)能電容器30，同時(shí)，用導(dǎo)體環(huán)34全周機(jī)械及電連接于延長(zhǎng)到圓筒狀外導(dǎo)體32的陰極25附近的端部32b。此外，連接于圓筒狀介質(zhì)體30a外周的外周電極30c電連接于陰極25。
按照該實(shí)施例，工作時(shí)，陰極25與輔助電極41間的介質(zhì)圓筒40的內(nèi)表面及其內(nèi)側(cè)區(qū)域生成等離子陰極25a，同時(shí)，同軸型電容器Cp兩端電壓加在陰極25與圓筒狀外導(dǎo)體32之間使其附近的放電電路區(qū)域B預(yù)電離，引發(fā)主放電。這樣，輸出橫斷面為圓形、強(qiáng)度分布大致均勻的脈沖激光束。能抑制因金屬電極產(chǎn)生的亮點(diǎn)或?yàn)R蝕，能維持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作。
上述圖17及圖18所示的實(shí)施例是利用氣隙開關(guān)等開關(guān)驅(qū)動(dòng)激光振蕩的例子，但也可不用氣隙開關(guān)等，而用含有實(shí)質(zhì)上同樣作用的高壓脈沖或觸發(fā)脈沖發(fā)生電路的電源裝置來代替。由此，能獲得穩(wěn)定長(zhǎng)壽的脈沖激光發(fā)生裝置。
此外，本發(fā)明不限定于在陰極或陽極內(nèi)一側(cè)生成等離子電極的結(jié)構(gòu)，也可采用備有在陰極及陽極兩電極附近的筒狀介質(zhì)體和鄰近它配置的輔助電極的結(jié)構(gòu)，工作時(shí)，將電壓加給輔助電極使得在筒狀介質(zhì)體內(nèi)側(cè)區(qū)域生成等離子電極。由此，能進(jìn)一步抑制金屬電極產(chǎn)生亮點(diǎn)或?yàn)R蝕。
本發(fā)明不僅適用于產(chǎn)生紫外線區(qū)域激光的氮(N2)激光器或準(zhǔn)分子激光器的發(fā)生裝置，而且能廣泛地應(yīng)用于CO2激光器、其它脈沖氣體激光器等發(fā)生裝置。本發(fā)明雖能用于使作為激光媒質(zhì)的氣體從外部在放電管內(nèi)循環(huán)的方式，但尤其適用于上述實(shí)施例那樣的將放電管封切的方式，此時(shí)的優(yōu)點(diǎn)在于基本上無需維修。
如上所述，按照本發(fā)明，能高重復(fù)獲得橫斷面為圓形、強(qiáng)度分布大致均勻的脈沖激光輸出。而且，能抑制金屬電極上產(chǎn)生亮點(diǎn)或產(chǎn)生濺蝕，并能維持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作。
權(quán)利要求
1.一種脈沖氣體激光發(fā)生裝置，按照第一主電極、形成主放電電路用的絕緣體制筒狀放電管及第二主電極的順序縱向配置且內(nèi)部有媒體氣體，在所述第一主電極及第二主電極的外側(cè)配置構(gòu)成光諧振器的一對(duì)反射鏡，并備有將主放電用電壓加在所述第一主電極及第二主電極間的電源裝置，其特征在于，在所述第一主電極或第二主電極的至少一主電極附近具有筒狀介質(zhì)體和鄰接該筒狀介質(zhì)體配置的輔助電極，并具有工作時(shí)將電壓加給該輔助電極使在筒狀介質(zhì)體的內(nèi)側(cè)區(qū)域產(chǎn)生等離子電極的輔助電極電壓施加手段。
2.如權(quán)利要求1所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，所述輔助電極包圍所述筒狀介質(zhì)體的一部分加以配置。
3.如權(quán)利要求1所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，所述絕緣體制筒狀放電管在該放電管中間設(shè)有中間電極，分隔成形成第一放電電路的第一絕緣圓筒部和形成第二放電電路的第二絕緣圓筒部；將自放電開始電壓以下的電壓加在所述第一主電極與第二主電極之間；進(jìn)一步包含觸發(fā)電源電路手段，將所述第一放電電路及第二放電電路同時(shí)或大致同時(shí)引起絕緣破壞的觸發(fā)電壓加在所述中間電極產(chǎn)生激光振蕩。
4.如權(quán)利要求3所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，結(jié)構(gòu)上所述觸發(fā)電源電路將同步脈沖觸發(fā)電壓加給所述等離子電極生成用的輔助電極及所述中間電極。
5.如權(quán)利要求3所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，包圍所述第一絕緣圓筒部及第二絕緣圓筒部中至少一絕緣圓筒部配置筒狀導(dǎo)體，所述筒狀導(dǎo)體的一端部電連接所述第一主電極或第二主電極，另一端部延長(zhǎng)到所述中間電極附近加以配置。
6.如權(quán)利要求3所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，所述第一放電電路的軸向長(zhǎng)度和第二放電電路的軸向長(zhǎng)度為不同的長(zhǎng)度。
7.如權(quán)利要求6所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，所述第一放電電路及第二放電電路中其長(zhǎng)的軸向長(zhǎng)度相對(duì)于短的軸向長(zhǎng)度在1.5倍-4.0倍范圍。
8.如權(quán)利要求3所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，向所述中間電極施加觸發(fā)電壓引起的所述第一放電電路中的電位梯度的絕對(duì)值和所述第二放電電路中的電位梯度的絕對(duì)值相等，或這兩個(gè)電位梯度的絕對(duì)值的比在1.0±0.5范圍。
9.如權(quán)利要求3所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，所述等離子電極生成用輔助電極附近放電電路中的電位梯度的絕對(duì)值比所述第一或第二放電電路的電位梯度的絕對(duì)值大。
10.如權(quán)利要求3所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，在所述中間電極和延長(zhǎng)靠近它配置的筒狀外導(dǎo)體端部的至少一方電連接有細(xì)導(dǎo)體環(huán)，且朝軸向突出設(shè)置。
11.如權(quán)利要求3所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，相對(duì)于所述一主電極加給另一主電極的電壓的極性與加給所述中間電極的觸發(fā)電壓的極性相反。
12.如權(quán)利要求3所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，相對(duì)于所述一主電極加給另一主電極的電壓與加給所述中間電極的觸發(fā)電壓是頻率相同且大致為180度相位差的交流電壓。
13.一種脈沖氣體激光發(fā)生裝置，按照第一主電極、形成主放電電路用的絕緣體制筒狀放電管及第二主電極的順序縱向配置且內(nèi)部有媒體氣體，在所述第一主電極及第二主電極的外側(cè)配置構(gòu)成光諧振器的一對(duì)反射鏡，并備有將主放電用電壓加在所述第一主電極及第二主電極間的電源裝置，其特征在于，所述電源裝置包含電容器，所述電容器為筒狀且包圍所述絕緣體制筒狀放電管配置。
14.如權(quán)利要求13所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，所述電容器在筒狀介質(zhì)體的內(nèi)周壁接有內(nèi)周電極且在外周壁接有外周電極，所述內(nèi)周電極電連接于所述第一主電極或第二主電極的一電極及所述電源裝置。
15.如權(quán)利要求13所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，包圍所述絕緣體制筒狀放電管的至少一部分配置有筒狀導(dǎo)體，所述筒狀導(dǎo)體的一端部電短路連接于所述第一主電極或第二主電極的一方，另一端部朝另一方主電極方向延長(zhǎng)且電短路連接于所述電容器的內(nèi)周電極。
16.如權(quán)利要求13所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，所述絕緣體制筒狀放電管在該放電管中間設(shè)有中間電極，分隔成形成第一放電電路的第一絕緣圓筒部和形成第二放電電路的第二絕緣圓筒部；將自放電開始電壓以下的電壓加在所述第一主電極與第二主電極之間；進(jìn)一步包含觸發(fā)電源電路手段，將所述第一放電電路及第二放電電路同時(shí)或大致同時(shí)引起絕緣破壞的觸發(fā)電壓加在所述中間電極產(chǎn)生激光振蕩。
17.如權(quán)利要求16所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，包圍所述第一絕緣圓筒部及第二絕緣圓筒部的至少一方的圓筒部配置有筒狀導(dǎo)體，所述筒狀導(dǎo)體的一端部電連接于所述第一主電極或第二主電極，另一端部延長(zhǎng)到靠近所述中間電極配置且電短路連接于所述電容器的內(nèi)周電極。
18.如權(quán)利要求16所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，所述第一放電電路的軸向長(zhǎng)度和第二放電電路的軸向長(zhǎng)度為不同的長(zhǎng)度。
19.如權(quán)利要求18所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，所述第一放電電路及第二放電電路中其長(zhǎng)的軸向長(zhǎng)度相對(duì)于短的軸向長(zhǎng)度在1.5倍-4.0倍范圍。
20.如權(quán)利要求16所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，向所述中間電極施加觸發(fā)電壓引起的所述第一放電電路中的電位梯度的絕對(duì)值和所述第二放電電路中的電位梯度的絕對(duì)值相等，或這兩個(gè)電位梯度的絕對(duì)值的比在1.0±0.5范圍。
21.如權(quán)利要求13所述的脈沖氣體激光發(fā)生裝置，其特征在于，在所述第一主電極或第二主電極的至少一主電極附近具有筒狀介質(zhì)體和鄰接該筒狀介質(zhì)體配置的輔助電極，并具有工作時(shí)將電壓加給該輔助電極使在筒狀介質(zhì)體的內(nèi)側(cè)區(qū)域產(chǎn)生等離子電極的輔助電極電壓施加手段。
全文摘要
一種脈沖氣體激光發(fā)生裝置,按照第一主電極24、形成主放電電路用的絕緣體制筒狀放電管21及第二主電極25的順序縱向配置且內(nèi)部有媒體氣體,在這些第一主電極及第二主電極的外側(cè)配置構(gòu)成光諧振器的一對(duì)反射鏡22、23,進(jìn)而備有將主放電用電壓加在所述第一主電極及第二主電極間的電源裝置,在第一主電極或第二主電極的至少一主電極附近具有筒狀介質(zhì)體40和鄰接該筒狀介質(zhì)體配置的輔助電極41,并具有工作時(shí)將電壓加給該輔助電極使在筒狀介質(zhì)體的內(nèi)側(cè)區(qū)域產(chǎn)生等離子電極25a的輔助電極電壓施加手段28。
文檔編號(hào)H01S3/038GK1272232SQ9980077
公開日2000年11月1日 申請(qǐng)日期1999年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月20日
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