[其他]激光气体的电激励方法

说明书

本发明涉及激光气体的电激励方法，特别涉及二氧化碳、氦和氮混合气体（CO₂-He-N₂）的激励方法。混合气体垂直于轴向放电管注入，並由垂直于激光放电管耦合进来的微波点燃。

激光光束通常是由两片反射镜和激光活性媒质组成的光学谐振腔並通过光学放大作用受激辐射而产生的。

激光活性媒质则是由受激原子，在CO₂激光器中则是由受激CO₂分子组成。激励过程通常由放电来实现。放电点火时刻，放电管中的电场强度必须比维持放电等离子体所需要的电场强度大得多。一旦微波碰到尚未激励的激光气体，就能在足够的电场强度下点燃激光气体，从而产生一个小小的等离子区。这个等离子区吸收微波后，产生更多的电子並使等离子区加宽。当达到所谓“临界密度”这一确定的电子密度时，微波几乎完全沿其发射方向被等离子体反射。这时，发生器与等离子体之间的电场强度增加，而等离子体沿微波发生器的方向不断延伸。此过程一直延续到微波到达腔壁或微波入射窗口。对反射起重要作用的“临界密度”是微波频率和电子与分子碰撞频率的函数。达到“临界密度”，也就达到最终状态。这时，微波在腔壁最外层完全被吸收，再也不可能进入放电空间。腔壁最外层的温度不断上升，常常使绝缘的放电管和微波窗口遭受损伤。

由DFVLR技术物理所出版的《激光学术讨论会》85年第13期上SchocR，W.的文章中得知，在微波激励时气体激光器的放电管内产生具有较高电子密度的强吸收腔壁表面层。此表面层通常使 激光器失效。为避免产生腔壁表面层，德国航空航天研究试验机构（DFVLR技术物理研究所）已选择了将微波耦合到具有高压差的喷射气流中的办法。使用位于绝缘窗口后的高压机构，从而避免了在该区域中点火。激光气体的点火是在喷嘴后面的低压区中进行的。微波功率为4.75KW，转换效率为7%时，CO₂激光器的最大连续续输出功率为340W。由于激光气体沿微波传播方向流动，而谐振腔垂直的放在非均匀分布的激光媒质中，只作用到部分媒质，所以这种结构的效率很低。由于整个装置需要大流量和高压差，所以造价昂贵。

从1978年7月第49期《应用物理》杂志3753～3756页上Handy和Brandelik写的题为《用2.45千兆赫脉动微波激发CO₂气体的激光器》一文中我们了解到一种制作类似的气体激光器所用的微波激励气体放电的方法。在这种气体激光器中，微波垂直于激光气体流动方向穿过激光气体;而激光气体从与微波耦合方向垂直放置的放电管的入口处流入，在从垂直于微波耦合放置的放电管的出口流出。在这种装置中，被加热的等离子体紧贴在绝缘放电管的壁上，所以在壁上形成一层吸收能力很强的腔壁表面层。这就使得气体激光气的效率很低，并需要装有预先冷却到200°K的液氮冷却装置。

这里所提出的发明旨在避免激光气体被微波激励时产生上述腔壁表面层并实现均匀、大体积辉光放电。

这项任务是这样创造性的解决的：在微波耦合区内输入激光气体，并在那儿将气体点燃，然后将点燃的激光气体随同微波一起通过T形波导扩展到放电管的两臂或单臂中去。

这时，放电延伸到封闭微波波导管中每个电场强度大的地方。激光气体输入输出位置安排的要求是不能让微波电场产生泄漏。

通过与微波传播方向垂直的微波和波导管中激光气体的有效耦合，耦合区域中，特别是像T形或L形波导管中的电场强度明显大于形成放电管的双臂或单臂中的电场强度。另外，射到按长度为入/4的同轴波导管设计的激光气体入口处的微波先由短路板反射，且由于安装在激光气体入口中的点火电极的尖端上可提供增大的电场强度，所以能在点火电极尖端放电点火。在点火电极的自由端形成等离子体，并由气流运送到激光气体放电管中。这时，送往放电管中的等离子体充分吸收放电管正中间的微波，而不吸收管壁附近的微波，并使激励过程维持下去。通过改变波导管的形状，可以成功的获得与微波吸收有关的沿气体流动方向的功率下降和电场下降量。

密闭波导管的横向尺寸的选择原则是微波的波长比两倍的放电管长度还大得多。这样就可以使气体流动方向上的电激励几乎保持不变。此外，对于矩形波导管，其宽度一直减到“截止宽度”，而园形波导管则减到“截止直径”。

“截止宽度”与自由空间中微波的米波长相当;而自由空间中的“截止直径”则为0.58×波长。

激光气体放电管与激光谐振腔的光轴重迭，所有被激励的激光气体都在光学谐振腔中。不断调节完善激光气，即可在激光束断面上产生均匀放电。