[发明专利]组合式圆筒放电高功率气体激光器的构建方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学和光学工程领域，主要是利用射频电源放电激励由同轴的内圆筒和外圆筒组成的组合式圆筒来获得高功率中空环形二氧化碳激光束或一氧化碳激光束的装置及构建方法。高功率二氧化碳激光器因具有高功率和高光束质量的优点而被用于激光工业加工，是激光加工中最重要的器件之一。高功率一氧化碳激光器输出波长为5微米，是二氧化碳激光波长的一半，因此可以获得更小直径的会聚光束，由于金属材料对该波长的激光有较强的吸收，能提高金属加工速度，具有较高的加工效率。目前可用光纤来传输这种波长较高的激光能量，使其更易用于各种复杂环境及特殊情况的加工。此外，它也是光化学、激光分离同位素的重要光源之一。

背景技术

二氧化碳激光器是世界上最早的分子激光器，放电管横截面为圆形，工作时需要采用冷却措施，放电采用直流放电，一米长放电管输出功率为40瓦左右。为满足激光加工需求，人们采用增加放电管长度或折叠方式工作来提高输出功率，前者使装置显得太长且效率不高，后者对各个谐振腔镜的调整和封贴要求非常高，且输出光束由于斜入射会引起一定的象散效应。随着射频激励扩散冷却面增比气体激光器这一项新技术的出现和应用，加拿大E.F.Yelden等人提出的辐射阵列型多通道放电气体激光器，用10kW的射频电源激励该激光器，混合气体比例为1:1:3（CO₂：N₂：He），气压为3000Pa，输出功率为1200W，加入5%的Xe，增加射频电源功率到25kW，可以获得输出功率为3.5kW的激光，但效率很低（仅14%）。如果继续增加射频功率，在理论上可以获得15 kW的激光。此装置最大的缺点是输出一般运转于高阶横模情况。

   一氧化碳激光器是继二氧化碳激光器后又一重要的分子气体激光器，其量子转换效率是二氧化碳激光器的量子转换效率的两倍多，是研究分子光谱和激光化学最有价值的红外激光器之一。在室温下输出比二氧化碳激光低，但采用液氮冷却可获得大功率输出。中国辛建国等人报道的射频激励扩散冷却千瓦一氧化碳板条波导激光器，用液氮冷却获得了1020瓦的一氧化碳激光，其缺点是输出通常为低阶横模且装置结构复杂，液氮和高纯气体消耗量很大。

发明内容

    本发明主要针对高功率二氧化碳激光器、一氧化碳激光器的缺点提出来的。设计了一种由同轴嵌套式圆筒组成的组合式圆筒放电气体激光器，与辐射阵列型板条激光器相比，放电结构较简单，横截面为两同心圆环，增益区域也较相同长度的板条激光器大，因此输出高，且结构紧凑、输出集中，工作主要运行在基模情况。本发明的目的是由以下所述措施实现的。组合式圆筒放电高功率气体激光器的构建方法是：首先将内圆筒放在装置对称轴上，外圆筒嵌套在内圆筒外，射频电源阳极放在两圆筒之间并紧贴外圆筒内壁和内圆筒外壁，内圆筒和外圆筒在外圆筒端面处密封连接，在连接过程中始终保持两圆筒和系统对称轴同轴。视频电源阴极位于两圆筒外，且紧贴外圆筒外壁和内圆筒内壁，水冷套由两同轴的圆柱组成，组合式圆筒放置在两圆柱之间，水冷套紧贴射频电源阴极并保持与圆筒同轴。复曲面镜、轴锥镜和平面输出镜均位于组合式圆筒外，与系统对称轴保持轴对称且垂直该对称轴，复曲面镜和轴锥镜（2）的非反射面以及轴锥镜（3）和平面输出镜的非反射面位于同一竖直平面内。轴锥镜（2）被嵌套在复曲面镜内且与系统对称轴保持对称，平面输出镜被嵌套在轴锥镜（3）内且与系统对称轴保持对称，以便在圆筒内建立激光振荡。通过射频激励两圆筒内的气体介质，在四镜稳定谐振腔的作用下，高功率气体激光从平面输出镜输出。当圆筒放电区内的混合气体为二氧化碳、氮气、氦气且各个谐振腔镜的反射和透射是针对波长为10.6                                                的，在水冷作用下输出二氧化碳激光，当圆筒放电区内的混合气体为一氧化碳、氮气、氦气且各个谐振腔镜的反射和透射是针对波长为5.3的，在水冷或液氮冷却作用下输出一氧化碳激光。本发明的构建方法及装置可由附图1和附图2加以说明，附图1是组合式圆筒放电高功率气体激光器的构建方法及装置，附图2是组合式圆筒放电气体激光器的截面图和光路图的构建方法及装置。

附图说明