專利名稱：高頻橫向激勵氣體激光器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于氣體激光器件。
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。為解決上述缺點所引入的射頻激勵方式激光器，通常的電極結構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，因此放電管內的等離子體是螺旋形狀的，可得到較好的光束質量。為了更有效地改善管內放電等離子體的各向同性程度，有的還采取特殊進氣方式，使得放電管內氣流呈螺旋形式前進。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的增益介質--激光混合氣體，一般只有10-20％的射頻功率轉化為激光功率輸出，大部分射頻功率轉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)，而且使得整機結構體積龐大，額外消耗大量電能。1989年以來發(fā)展起來板條擴散冷卻結構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、內部通冷卻液，所有組成元件均封裝在外殼內，放電部分兩端置有全反鏡和輸出鏡，外殼內其余空間構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．，Vo1．54(9)，P1833-1835(1989)。這種激光器雖然結構緊湊，無需氣流循環(huán)冷卻系統(tǒng)，但輸出激光為偏振光束，質量很差，需要采用復雜的價格較高的外光路系統(tǒng)對其進行整形處理，才能滿足實用要求。
本實用新型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，在絕緣放電管外復以冷卻通道，開發(fā)出不用對流冷卻系統(tǒng)、結構緊湊、輸出光束質量好的高功率氣體激光器件。
實現(xiàn)本實用新型的高頻橫向激勵氣體激光器，其外殼內設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，外殼內的其余空間構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的電極構成，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、冷卻通道內充冷卻液。
(3)當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、或沿絕緣放電管內表面、或嵌入絕緣放電管管壁內與高壓極/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表面相對設置、兩地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或沿絕緣放電管內表面、或嵌入絕緣放電管管壁與高壓極/地極相間均勻設置。
所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其進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/地極相間均勻設置。
所述的高頻橫向激勵氣體激光器，其進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/地極相間均勻設置；所述冷卻通道內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、或沿絕緣放電管內表面、或嵌入絕緣放電管管壁與高壓極/地極相對設置；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置；所述冷卻通道內所充冷卻液為絕緣冷卻液。
本實用新型的激光器集射頻激勵激光器的放電穩(wěn)定可靠、易于調制、不用昂貴的對流冷卻系統(tǒng)、擴散冷卻結構緊湊體積小，以及縱向快速流動結構的激光器輸出光束質量好的優(yōu)點于一體，可開發(fā)出數(shù)十--數(shù)千瓦，具有基模或低階模光束質量、使用壽命長的氣體激光器件。本實用新型的結構除適用于CO2激光器外，還適用于CO激光器和其他類型氣體的激光器，在激光切割和科學研究領域具有廣闊應用前景。
以下結合附圖進一步說明本實用新型的實施狀態(tài)。


圖1為本實用新型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，當高壓極置于放電管外表面時，支撐5為絕緣材料構成，同時冷卻液也應是絕緣的。因此放電等離子體的熱量可直接通過管壁的傳導擴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，可實施低壓射頻激勵技術，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施例。
圖2所示一對螺旋狀電極，一極沿圓形絕緣放電管內表面繞行，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表面相對設置、兩地極沿絕緣放電管外表面與高壓極相間均勻設置；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表面設置；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；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、外表面上分段相對交叉設置，而圖12中兩對條狀電極均在絕緣放電管內表面上分段相對交叉設置。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。
權利要求1．一種高頻橫向激勵氣體激光器，其外殼內設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，外殼內的其余空間構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的電極構成，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、冷卻通道內充冷卻液。(3)當高壓極置于放電管外表面時，所述冷卻液是絕緣的。
2．如權利要求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、或沿絕緣放電管內表面、或嵌入絕緣放電管管壁內與高壓極/地極相間繞行。
3．如權利要求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與高壓極/地極相間繞行。
4．如權利要求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表面相對設置、兩地極/高壓極或沿絕緣放電管外表面、或沿絕緣放電管內表面、或嵌入絕緣放電管管壁與高壓極/地極相間均勻設置。
6．如權利要求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/地極相間均勻設置。
7．如權利要求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/地極相間均勻設置；所述冷卻通道內所充冷卻液為絕緣冷卻液。
8．如權利要求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、或沿絕緣放電管內表面、或嵌入絕緣放電管管壁與高壓極/地極相對設置；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置；所述冷卻通道內所充冷卻液為絕緣冷卻液。
專利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,內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。本實用新型無需氣體對流冷卻系統(tǒng)、結構緊湊,輸出光束質量好,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研究領域。
文檔編號H01S3/22GK2415519SQ0022929
公開日2001年1月17日 申請日期2000年2月25日 優(yōu)先權日2000年2月25日
發(fā)明者王又青 申請人:華中理工大學