專利名稱：一維全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于波導(dǎo)氣體激光技術(shù)，特別是涉及一種一維全金屬板條型波導(dǎo)氣體激光器背景技術(shù)射頻橫向氣體放電技術(shù)與光學(xué)波導(dǎo)技術(shù)的結(jié)合，推動了波導(dǎo)CO2激光器技術(shù)的迅速發(fā)展。在過去的十幾年里，射頻橫向激勵單波導(dǎo)CO2激光器技術(shù)經(jīng)歷了從全陶瓷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、陶瓷與金屬夾心波導(dǎo)結(jié)構(gòu)到全金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程.在全陶瓷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中(見圖1A)，方形波導(dǎo)是由兩個真空陶瓷側(cè)壁33和兩個真空陶瓷夾板34構(gòu)成，置于二個金屬電極32之間，高頻電源31與金屬電極32連接，放電激勵在波導(dǎo)內(nèi)形成一增益通道區(qū)。全陶瓷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是光波損耗小。隨著波導(dǎo)CO2激光器技術(shù)的發(fā)展，為了提高增益冷卻效果及降低成本和簡化結(jié)構(gòu)，金屬與陶瓷夾心波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被提了出來(見圖1B)。在金屬和陶瓷夾心波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，二個金屬電極32和二個真空陶瓷側(cè)壁33構(gòu)成了波導(dǎo)放電激勵通道，高頻電源31與金屬電極32連接。為了更進(jìn)一步降低器件成本以及易模塊化生產(chǎn)，1988年美國Synrad公司提出一種射頻激勵大口徑全金屬通道CO2激光器技術(shù)，公開于《激光論壇，Laser Focus》pp44-48，April，1998(見圖1C)。在這種技術(shù)中，氣體放電通道是由兩個表面絕緣層的金屬側(cè)壁36和兩個表面絕緣層的金屬電極37構(gòu)成的，表面絕緣層的金屬側(cè)壁36與金屬外殼35相連接，高頻電源31與兩個表面絕緣層的金屬電極37連接，兩個金屬電極37相位差180度，形成四電極放電形式。1991年北京理工大學(xué)的辛建國等人研制成一種射頻橫向二電極放電激勵全金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)CO2激光器技術(shù)，公開于《應(yīng)用物理快報，Applied Physics Letters》，Vol.59(26)，p3363，1991.(見圖1D).在這種結(jié)構(gòu)中，兩個金屬電極32和兩個表面絕緣層的金屬側(cè)壁36構(gòu)成波導(dǎo)氣體放電通道波導(dǎo)，在兩個表面絕緣層的金屬側(cè)壁36與兩個金屬電極32間留有厚0.1mm的氣體間隙，根據(jù)氣體放電的巴邢原理，在極小氣體間隙間的氣體擊穿電壓較高，并且該結(jié)構(gòu)中氣體間隙間的電壓僅為兩個金屬電極32間電壓的二分之一，因而適當(dāng)設(shè)計波導(dǎo)通道尺寸，可將氣體放電激勵限制在波導(dǎo)通道內(nèi)。
國際上目前報道的擁有射頻激勵全金屬CO2激光器技術(shù)的僅兩家，美國Synrad公司的射頻激勵四電極大口徑全金屬通道CO2激光器和北京理工大學(xué)的射頻橫向激勵二電極全金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)CO2激光器。
但到目前為止，國內(nèi)外所報道的面增比(Area Scaling)板條型波導(dǎo)射頻激勵擴(kuò)散型冷卻CO2激光器均采用的是金屬與陶瓷夾心結(jié)構(gòu)。從技術(shù)上說，金屬與陶瓷夾心結(jié)構(gòu)波導(dǎo)射頻激勵擴(kuò)散型冷卻CO2激光器利用陶瓷來電隔離放電電極，以使在金屬與陶瓷夾心結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生氣體放電形成增益區(qū)，這種金屬與陶瓷夾心結(jié)構(gòu)的制造工藝較為復(fù)雜；而全金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)射頻激勵擴(kuò)散型冷卻CO2激光器利用氣體放電的巴邢原理和電壓分壓原理，將氣體放電抑制在全金屬波導(dǎo)內(nèi)形成增益區(qū)。這兩種技術(shù)的增益區(qū)形成原理不同。
現(xiàn)有的板條波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)均為二維波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有的二維板條型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，在波導(dǎo)橫截面的平行于電極方向上會產(chǎn)生高階波導(dǎo)模效應(yīng)，使得激光輸出光束強(qiáng)度分布在該方向產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象，進(jìn)而影響了光束質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服現(xiàn)有板條波導(dǎo)氣體激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且在二維板條型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生高階波導(dǎo)模效應(yīng)而影響光束質(zhì)量的問題，提出了一種一維全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器。
本發(fā)明的一維全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器，具有一金屬真空腔，及設(shè)于該真空腔內(nèi)的一板條波導(dǎo)氣體放電區(qū)和一光學(xué)諧振腔，氣體放電區(qū)包括金屬上電極，金屬下電極，設(shè)置在金屬上電極和金屬下電極之間的至少兩個金屬支撐塊，和在金屬支撐塊與金屬上、下電極之間的沿電極長度方向的至少兩個以上的陶瓷絕緣片，陶瓷絕緣片使金屬上電極和金屬下電極之間隔離，形成分壓電絕緣隔離；金屬下電極置于一金屬托板之上，該金屬托板與金屬真空腔下部內(nèi)壁緊密接觸；在金屬上電極之上依次設(shè)置有一金屬襯板和一金屬壓板，在金屬襯板與金屬上電極和金屬壓板之間設(shè)置有至少兩個陶瓷絕緣片使其間形成電絕緣隔離；金屬壓板和金屬真空腔上部內(nèi)壁緊密接觸；金屬上電極與一電極連接桿連接，電極連接桿穿過一真空隔離絕緣襯套與金屬真空腔外的電源相連；光學(xué)諧振腔包括一輸出鏡和一后反饋鏡分別設(shè)置在氣體放電區(qū)沿電極長度方向的兩端；在真空腔上封接有一激光輸出窗口。
本發(fā)明是一種一維全金屬板條波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)，利用氣體放電的巴邢原理和電壓分壓技術(shù)，采用射頻橫向氣體放電激勵在一維金屬板條波導(dǎo)內(nèi)形成激光增益。構(gòu)成一種射頻橫向氣體放電激勵的一維板條全金屬波導(dǎo)氣體激光器。該種激光器與陶瓷結(jié)構(gòu)波導(dǎo)及金屬和陶瓷夾心結(jié)構(gòu)波導(dǎo)激光器相比，可降低器件成本和可形成模塊化生產(chǎn)。由于本發(fā)明是一種一維板條波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)，無波導(dǎo)側(cè)壁，從原理上消除了在波導(dǎo)橫截面的平行于電極方向上產(chǎn)生的高階波導(dǎo)模效應(yīng)，使得激光輸出光束強(qiáng)度分布在該方向不再產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象，從而提高了激光輸出光束質(zhì)量。


圖1A現(xiàn)有氣體激光器中全陶瓷單通道波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖1B現(xiàn)有氣體激光器中金屬與陶瓷夾心結(jié)構(gòu)圖1C現(xiàn)有氣體激光器中全金屬四電極大口徑通道結(jié)構(gòu)圖1D現(xiàn)有氣體激光器中全金屬方波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖2A本發(fā)明的一維全金屬板條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)橫截面示意2B本發(fā)明的一維全金屬板條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)另一實(shí)施例的橫截面示意2C本發(fā)明的一維全金屬板條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)又一實(shí)施例的橫截面示意3A是圖2A所示本發(fā)明的一維全金屬板條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縱向截面示意3B是圖2B所示本發(fā)明的一維全金屬板條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縱向截面示意3C是圖2C所示本發(fā)明的一維全金屬板條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縱向截面示意4.一維全金屬板條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等效電路示意5.板條狀增益區(qū)與離軸虛共焦非穩(wěn)腔的組合示意圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明的一維全金屬板條波導(dǎo)激光器，其結(jié)構(gòu)由圖2A，圖2B，圖2C，和圖3A，圖3B，圖3C，所示。金屬上電極1，金屬下電極2和金屬支撐塊3構(gòu)成板條波導(dǎo)氣體放電區(qū)13(高H＝0.2-8毫米，寬W＝2-500毫米)，即激光增益區(qū)。金屬下電極2置于金屬托板4之上。金屬上電極1和金屬下電極2之間構(gòu)成的矩形空間沒有側(cè)壁，形成一個沿電極縱向方向的一維板條波導(dǎo)。在該波導(dǎo)內(nèi)，金屬上電極1和金屬下電極2對垂直于電極方向的光波場有導(dǎo)波效應(yīng)，而在平行于金屬上電極1和金屬下電極2的方向，由于無側(cè)壁邊界，沒有導(dǎo)波效應(yīng)，光波場以自由空間模式傳播，因而是一維波導(dǎo)。金屬上電極1和金屬下電極2之間形成一個板狀電容C(見圖4)。還可以通過在金屬上電極1和金屬托板4之間沿電極縱向方向均勻分布連接數(shù)個匹配電感9，匹配電感9和板狀電容C是并聯(lián)連接，以此用以改變金屬上電極1和金屬下電極2之間形成的板狀容抗參數(shù)，使得施加在金屬上電極1和金屬下電極2之間的高頻電磁波更易產(chǎn)生氣體放電。金屬托板4與金屬真空腔12內(nèi)壁緊密接觸。金屬支撐塊3置于金屬上電極1和金屬托板4之間，通過沿電極縱向方向的數(shù)個陶瓷絕緣片7(厚0.1-6毫米)在金屬上電極1和金屬托板4間形成電絕緣隔離(見圖2A)。
本發(fā)明的板條波導(dǎo)也可以采用如圖2B所示的結(jié)構(gòu)，即將金屬上電極1制作成兩側(cè)邊凹平臺、中間部分凸平臺，將金屬支撐塊3置于金屬上電極1兩側(cè)邊凹平臺和金屬下電極2之間，通過沿電極縱向方向的數(shù)個陶瓷絕緣片7(厚0.1-6毫米)在金屬上電極1和金屬下電極2間形成電絕緣隔離。
本發(fā)明的板條波導(dǎo)還可以采用如圖2C所示的結(jié)構(gòu)，即將金屬上電極1制作成兩側(cè)邊凹平臺，中間部分凸平臺，將金屬支撐塊3置于金屬上電極1兩側(cè)邊凹平臺和金屬托板4之間，通過沿電極縱向方向的數(shù)個陶瓷絕緣片7(厚0.1-6毫米)在金屬上電極1和金屬托板4間形成電絕緣隔離。
上述結(jié)構(gòu)在金屬支撐塊3與金屬上電極1和金屬下電極2之間形成電容C1和C2(見圖4)。當(dāng)在金屬上電極1和金屬下電極2之間施加一個高頻電場時，C1和C2上的電壓之和等于金屬上電極1和金屬下電極2之間的電壓，因此當(dāng)金屬上電極1和金屬下電極2之間產(chǎn)生氣體放電時，金屬支撐塊3與金屬上電極1和金屬下電極2之間不會產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象。金屬支撐塊3的側(cè)面與金屬上電極1和金屬下電極2之間的距離為0.2-6mm。金屬襯板5與金屬上電極1和金屬壓板6之間通過沿電極縱向方向的數(shù)個陶瓷絕緣8(厚0.1-6毫米)與金屬上電極1和金屬壓板6間形成電絕緣隔離，并在金屬襯板5與金屬上電極1和金屬壓板6之間形成電容C3和C4(見圖4)。當(dāng)在金屬上電極1和金屬下電極2之間施加一個高頻電場時，C3和C4上的電壓之和等于金屬上電極1和金屬下電極2之間的電壓，因此，根據(jù)巴邢原理和電壓分壓原理，當(dāng)金屬上電極1和金屬下電極2之間產(chǎn)生氣體放電時，金屬襯板5與金屬上電極1和金屬壓板6之間不會產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象。金屬壓板6和金屬真空腔12內(nèi)壁緊密接觸。金屬上電極1與電極連接桿10連接，電極連接桿10穿過真空隔離絕緣襯套11與金屬真空腔12外的高頻電源相連。在金屬上電極1與金屬下電極2之間施加一個射頻電磁功率源形成氣體放電激勵，可形成板條型激光增益體積，與光學(xué)諧振腔結(jié)合，可獲得有效的激光功率輸出。
光學(xué)諧振腔輸出鏡片14安裝于輸出鏡片金屬固定架15內(nèi)，輸出鏡片金屬固定架15通過輸出鏡架金屬調(diào)節(jié)螺桿17與輸出鏡架金屬調(diào)節(jié)支撐架16相連接，輸出鏡架金屬調(diào)節(jié)支撐架16固定在金屬托板4上(如圖3所示)。光學(xué)諧振腔后反饋鏡片18安裝于后反饋鏡片金屬固定架19內(nèi)，后反饋鏡片金屬固定架19通過后反饋鏡架金屬調(diào)節(jié)螺桿21與后反饋鏡架金屬調(diào)節(jié)支撐架20相連接，后反饋鏡架金屬調(diào)節(jié)支撐架20固定在金屬托板4上。激光輸出窗口22真空封接在真空腔12前端面板上(如圖3所示)。
下面給出本發(fā)明的一個具體實(shí)施例。
金屬上電極1，金屬下電極2，金屬支撐塊3，金屬托板4，金屬襯板5，金屬壓板6，輸出鏡片金屬固定架15，后反饋鏡片金屬固定架19，輸出鏡架金屬調(diào)節(jié)支撐架17和后反饋鏡架金屬調(diào)節(jié)支撐架21均由防銹鋁合金制成，陶瓷絕緣薄7和8由Al2O3真空瓷制成，電極連接桿10和匹配電感9由金屬銅制成，金屬真空腔12由鍛鋁合金制成。輸出鏡架金屬調(diào)節(jié)螺桿16和后反饋鏡架金屬調(diào)節(jié)螺桿20由銅合金制成。
金屬中心電極1長L1為386毫米，寬W1為40毫米和高H1為20毫米。金屬下電極2長L2為386毫米，寬W2為20毫米和高H2為18毫米。金屬支撐塊3長L3為386毫米，寬W3為9毫米和高H3為20毫米。金屬托板4長L4為486毫米，寬W4為80毫米和高H4為19.6毫米。金屬襯板5長L5為386毫米，寬W5為30毫米，高H5為15毫米。金屬壓板6長L6為386毫米，寬W6為30毫米，高H6為15毫米。陶瓷絕緣薄片7和8是直徑為8毫米，厚度為0.1毫米的圓形薄片。匹配電感9是8個直徑為1mm的銅絲繞成外經(jīng)為10mm，圈數(shù)為4圈，每圈間隔為2mm的螺旋管狀電感，沿電極縱向方向均勻分布置于金屬上電極1和金屬托板4之間。金屬真空腔12長L7為500毫米，外寬W7為110毫米，外高H7為110毫米，內(nèi)寬W8為90毫米，內(nèi)高H8為90毫米。
光學(xué)諧振腔是一個離軸虛共焦非穩(wěn)腔，光學(xué)諧振腔輸出鏡片14是一個離軸凸面反射鏡，曲率半徑r為3280毫米；光學(xué)諧振腔后反饋鏡片18是一個離軸凹面反射鏡，曲率半徑R為4100毫米；光學(xué)諧振腔腔長Lg為410毫米(見圖5)。
將由金屬上電極1，金屬下電極2，金屬支撐塊3，金屬托板4，金屬襯板5，金屬壓板6，陶瓷絕緣薄片7和8，匹配電感9，和電極連接桿10構(gòu)成的組件固定于金屬真空腔12內(nèi)。以此形成一個高H為2毫米，寬W為20毫米的一維全金屬板條波導(dǎo)氣體放電區(qū)13(見圖2和圖3)。
通過從電極連接桿10輸入射頻功率，在一維全金屬板條波導(dǎo)氣體放電區(qū)13產(chǎn)生射頻氣體放電激勵，可形成板條型激光增益體積，與光學(xué)諧振腔結(jié)合(見圖5)，可獲得有效的激光功率輸出23。
在本發(fā)明結(jié)構(gòu)中，由于一維板條波導(dǎo)是全金屬板條波導(dǎo)，所以其具有良好的導(dǎo)熱性和低成本的優(yōu)勢。當(dāng)采用鋁合金等金屬材料時，其零部件可采用擠壓成型的工藝，可實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，進(jìn)一步降低成本。與以往的全陶瓷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器件或金屬與陶瓷夾心波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器件相比，有著成本低的較大優(yōu)勢。與以往的全金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器件相比，其結(jié)構(gòu)更為簡單，導(dǎo)熱性能進(jìn)一步提高。此外由于是一維板條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，無波導(dǎo)側(cè)壁，消除了在波導(dǎo)橫截面的平行于電極方向上產(chǎn)生的高階波導(dǎo)模效應(yīng)，使得激光輸出光束強(qiáng)度分布在該方向不再產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象，從而提高了激光輸出光束質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種一維全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器，具有一金屬真空腔，及設(shè)于該真空腔內(nèi)的一板條波導(dǎo)氣體放電區(qū)和一光學(xué)諧振腔，其特征在于氣體放電區(qū)包括金屬上電極，金屬下電極，設(shè)置在金屬上電極和金屬下電極之間的至少兩個金屬支撐塊，和在金屬支撐塊與金屬上、下電極之間的沿電極長度方向的至少兩個以上的陶瓷絕緣片，陶瓷絕緣片使金屬上電極和金屬下電極之間隔離，形成分壓電絕緣隔離；金屬下電極置于一金屬托板之上，該金屬托板與金屬真空腔下部內(nèi)壁緊密接觸；在金屬上電極之上依次設(shè)置有一金屬襯板和一金屬壓板，在金屬襯板與金屬上電極和金屬壓板之間設(shè)置有至少兩個陶瓷絕緣片使其間形成電絕緣隔離；金屬壓板和金屬真空腔上部內(nèi)壁緊密接觸；金屬上電極與一電極連接桿連接，電極連接桿穿過一真空隔離絕緣襯套與金屬真空腔外的電源相連；光學(xué)諧振腔包括一輸出鏡和一后反饋鏡分別設(shè)置在氣體放電區(qū)沿電極長度方向的兩端；在真空腔上封接有一激光輸出窗口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器，其特征在于所述金屬支撐塊的下端經(jīng)陶瓷絕緣片隔離設(shè)置在與金屬托板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器，其特征在于在金屬上電極和金屬托板之間連接至少兩個電感。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一維全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器，其特征在于在金屬上電極和金屬托板之間連接至少兩個電感。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的一維全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器，其特征在于光學(xué)諧振腔輸出鏡片安裝于輸出鏡片金屬固定架內(nèi)，輸出鏡片金屬固定架通過輸出鏡架金屬調(diào)節(jié)螺桿與輸出鏡架金屬調(diào)節(jié)支撐架相連接，輸出鏡架金屬調(diào)節(jié)支撐架固定在金屬托板上，光學(xué)諧振腔后反饋鏡片安裝于后反饋鏡片金屬固定架內(nèi)，后反饋鏡片金屬固定架通過后反饋鏡架金屬調(diào)節(jié)螺桿與后反饋鏡架金屬調(diào)節(jié)支撐架相連接，后反饋鏡架金屬調(diào)節(jié)支撐架固定在金屬托板上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的一維全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器，其特征在于激光增益區(qū)的高H為0.2-8毫米，寬W為2-500毫米；金屬支撐塊的側(cè)面與金屬上電極或金屬下電極之間的距離為0.1-6毫米；陶瓷絕緣片厚0.1-6毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器，其特征在于激光增益區(qū)的高H為0.2-8毫米，寬W為2-500毫米；金屬支撐塊的側(cè)面與金屬上電極或金屬下電極之間的距離為0.1-6毫米；陶瓷絕緣片厚0.1-6毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的一維板條波導(dǎo)氣體激光器，其特征在于金屬下電極與金屬托板可構(gòu)成一整體部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的一維全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器，其特征在于金屬上電極的形狀為兩側(cè)成凹平臺、中間成向下凸平臺，金屬支撐塊的上端經(jīng)陶瓷絕緣片隔離與金屬上電極的兩側(cè)邊凹平臺接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一維板條波導(dǎo)氣體激光器，其特征在于金屬上電極的形狀為兩側(cè)成凹平臺、中間成向下凸平臺，金屬支撐塊的上端經(jīng)陶瓷絕緣片隔離與金屬上電極的兩側(cè)邊凹平臺接觸。
全文摘要
一種一維全金屬板條波導(dǎo)氣體激光器，具有設(shè)置在金屬真空腔內(nèi)的板條波導(dǎo)氣體放電區(qū)和光學(xué)諧振腔；氣體放電區(qū)包括金屬上、下電極及與其絕緣的金屬支撐塊；金屬上電極之上依次絕緣設(shè)置有金屬襯板和金屬壓板；金屬下電極之下設(shè)有金屬托板；金屬上電極與和外電源相連的電極連接桿連接；光學(xué)諧振腔的輸出鏡和反饋鏡分別設(shè)置在氣體放電區(qū)的兩端，激光輸出窗口設(shè)在真空腔上。因采用全金屬波導(dǎo)部件，導(dǎo)熱性好，工藝簡單，可降低成本；并能避免在現(xiàn)有二維板條波導(dǎo)中，因高階波導(dǎo)模效應(yīng)而產(chǎn)生的激光輸出強(qiáng)度分布的調(diào)制現(xiàn)象，從而提高了光束質(zhì)量。
文檔編號H01S3/223GK1604404SQ0313472
公開日2005年4月6日 申請日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月29日
發(fā)明者辛建國, 鄔江興, 張志遠(yuǎn), 王偉平 申請人:北京礴德恒激光科技有限公司