[发明专利]CO2气体放电激光器的预电离方法

说明书

技术领域

一般地，本发明涉及二氧化碳(CO₂)气体放电激光器，包括其中点着气体放电以引起激光器动作的激光气体混合物。特别地，本发明涉及预电离该气体混合物以促进可靠地点着该放电的设备和方法。

背景技术

CO₂激光器通常包括在包含该激光其他混合物的外壳内的间隔分开平行的放电电极。使用其延伸在这些电极之间的纵轴配置激光谐振腔。通过将通常以RF电压脉冲形式的RF电源应用给该放电电极来在该激光气体混合物中击中(点着)气体放电。这使得该激光谐振腔传递在持续时间和频率上对应于该RF电压脉冲的持续时间和频率的激光辐射的脉冲。当正传递脉冲时，在下一个脉冲实际上立即重新点着该放电用于传递下一个脉冲的一个RF脉冲的应用之后的混合物中保留了充足的电离。

在商业上可获得的脉冲CO₂激光器中，通常存在一些为在该激光气体混合物中保留一些等级的电离而提供的装置，当未正在传递激光脉冲序列时。普遍地将此称作为预电离。预电离促进气体放电的点着，当期望传递激光器脉冲时。通常配置预电离装置用来最小化在到这些电极的RF脉冲电源的应用和激光器脉冲的传递之间的任意延迟。也应配置该预电离装置使得无论最小化延迟保留多少，该延迟是可预测和可重复的。

早期，例如具有小于100瓦特(W)平均功率输出预电离的低功率激光器已经由独立预电离装置所提供，不与火花塞有差别，并由独立于该放电电极的RF电源的电源来操作。发现该方法不足以用于具有较高功率输出的激光器。为这样的激光器已经研发了称作为预燃放电方法的方法。在该预燃放电方法中，创建预电离是通过将来自该激光器的主要RF电源的RF脉冲应用于具有足够长脉冲持续时间的放电电极以创建自由电子并提供所需的电离，但是长不足以实际点着放电(等离子)和导致激光动作。

对于该预燃放电方法研发的挑战是去发现容纳在该预燃放电(预电离)情况和该点着放电(激光)情况之间存在的激光负载阻抗差异的装置。在分配给本申请的代理人，于2009年1月6日申请的，申请号为12/367,174的美国专利中描述了一个这样的装置，其全部公开内容通过引用在此并入本文。依照该说明书的预燃放电方法可靠地运行在具有平均输出功率达到400W的脉冲CO₂激光器中。

已经发现，当试图实施将本方法实施在具有平均功率输出达到1000W的脉冲CO₂激光器中时，已经将可靠一致的预电离提供在该较低功率激光器中的预电离脉冲持续时间偶尔地引起在该较高功率激光器中的不希望的激光动作。也已经发现，因为统计波动名义上在相同1000W激光器之间，能够提供预电离而没有不希望的激光动作的预电离脉冲持续时间是难于预测的。这需要耗时和每一个激光器的昂贵的“校准”以确定用于该激光器的特定最佳预电离脉冲持续时间。试图使用足够短的持续时间以避免没有这样校准的激光导致了不可靠的放电点火。已经发现必要的是，进一步研发该预电离方法以避免在不希望激光动作和不可靠的放电点火之间的冲突。

在气体放电中的上述现有技术预燃放电过程的操作的示范性说明在下面参照图1A和1B而被提出，其中每一个描述了作为时间函数的电压，并一起提供了计时图。图1A描述了预燃脉冲的计时，图1B描述了激光器脉冲的计时。

在打开该激光器之前，首先在时间t₀处打开该预燃放电。预燃脉冲生成电路命令RF电源(RFPS)发出由短RF脉冲组成的RF预燃脉冲序列，在图1A中由脉冲SP₁，SP₂和SP₃示范。这些RF脉冲具有宽度(持续时间)W_S，和峰值电压V。这些脉冲使用其间时间间隔T来重复，即采用脉冲重复频率(PRF)等于1/T。在该方法中，这些RFPS供电该未点着的放电，即，该预燃功能，和该点着放电。该峰值电源V名义上对于该点着和未点着放电情况是相同的。预燃脉冲的持续时间短于激光脉冲的持续时间并太短而不能实际上导致激光放电。通过实施例的方式，预燃脉冲可能具有大约4μs的持续时间。在激光升温期间该预燃脉冲预处理该激光气体，通过生成充足数量的自由电子在该放电电极之间气体内。该最初升温时期能够与数分钟一样长。该自由电子确保了当用来发出激光脉冲的用户命令指示该RFPS发出具有足够长以激起激光放电和发出激光脉冲的宽度(持续时间)W_L的RF脉冲时，快速点着放电，例如大约50微秒或更长。选择该时期T使得将总是存在充足的自由电子在该期间以促进在需要时的激光放电的点火。