[发明专利]射频激励快速轴流一氧化碳激光器

说明书

本发明属于气体激光装置，尤其是大功率一氧化碳(CO)激光器。

在1994年公开的名称为《激光振荡器》，专利号DE4331054的德国专利和1986年公开的名称为《CO₂激光装置》，专利号为昭63-148695的日本专利中均对交流及射频激励快速轴流CO₂激光器的结构及其特点进行了详细描述。在德国专利DE4331054中所公开的激光器是包括有放电管与放电管连通的气体循环系统、激光放电管的装置、分别设置在放电管两端的全反射镜和部分放射镜，这种装置用在温度需求不是很低的情况下，如CO₂激光器中是可行的，但是用在温度更低的情况下，如CO激光器中就存在一些缺陷，这些缺陷主要有：1．由于CO工作气体的激光能级结构完全不同于CO₂气体，因此这种结构不适合对CO产生最有效的激光振荡，特别是这类结构的冷却系统不能产生低的工作气体温度以达到高的电光转换效率；2．这种结构高速气流是从激光腔的两端沿轴向流入放电管，这给两端附近的密封和光学镜片带来很大麻烦，特别是气体温度在100-120°K时；3．没有考虑射频外电极的截面形状对射频放电横向均匀性及对激光束质量的影响；4．没有考虑射频外电极对轴流方向所夹倾角对射频放电纵向均匀性乃至于激光输出功率的影响。

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、转换频率高、输出功率大、光束质量好的横向射频激励快速轴流CO激光器。

针对已有技术存在的问题，本发明对激光系统加以改进以适用于CO激光器，本发明的激光系统包括激光谐振腔和与之相连通的气体循环系统，其中谐振腔包括放电管、设于放电管间的中心部件，设置在各放电管外并连接射频源以激励放电管的射频电极，及谐振腔的端部件，谐振腔的一端部件内设置与放电管一端相对的一全反射镜，放电管光输出端的端部件内设置一部分反射镜；气体循环系统包括气流泵和使其与谐振腔两端部件和放电管间的中心部件相连通和气流通道，在气流通道上设有热交换器。为解决已有技术在低温下转换效率低及密封等问题，本发明采用了与已有技术中气流方向不同的气体循环系统，即气流泵的气流输出通道经热交换器连接两放电管间的中心部件人口，这主要是防止低温CO气体从谐振腔两端进入放电区时给反射镜带来的雾化和两端难以密封的缺陷，谐振腔两端部为气流出口并分别经两交换器和气流通道连接气流泵的气体人口，利用该两热交换器对从谐振腔两端部件气流出口流出的在放电过程中升温的气体进行预冷却。由于沿放电管轴向放电气体具有较大的温度梯度，并引起气体密度沿轴向的变化，这在快速轴流放电中相应地诱导了放电阻抗沿轴向的改变。为了对此进行弥补，即要沿轴向逐渐降低射频电场的E/N值，即电场强度与粒子数浓度之比；同时在增加纵向输入功率密度时，要避免发生α放电(一种均匀稳定的低电流射频放电)向γ放电(一种不稳定的高电流射频放电)转换时产生的纵向不稳定放电，以获得最佳电光转换效率和最大输入功率密度，在射频电极和放电管管壁之间设置可以调节射频电极和放电管管壁之间倾角的绝缘调节架，射频电极是自靠近中心部件的一端向另一端延伸张开一倾角，该倾角应小于50毫弧度。为使高速气流通过时，阻力最小，同时在温度梯度很大时放电管不破裂，并防止管壁升温而影响密封。放电管的两端口均采用卷边形状，并设置密封圈。

采用本发明的结构使激光器能够很好的应用CO工作气体，因而能在较低的工作气体温度下工作，以达到高的电光转换效率，同时解决了气体激光器在低温高速工作气流状态下密封、镜片雾化损坏等问题，并可获得转换效率高、输出功率大、光束质量好的特性。

图1是本发明CO激光系统的基本结构示意图。

图2是本发明一个实施例的中间部件结构示意图。

图3是激光谐振腔中放电管与外置射频电极的横截面关系图。

图4为本发明的激光谐振腔端部件的结构示意图。

图5为二级液氮热交换器的结构示意图。

图6为采用两组放电管并列设置的折叠式线性激光谐振腔的结构示意图。

图7(a,b)为实施例中射频放电管横向截面的两个不同放电状态图。

图8是实施例中不同的电极和轴流纵向倾角时，激光器输出功率和总电光转换效率与射频输入功率的关系。

图9为不同的工作气压下，最大激光功率和相应的质流量与射频输入功率的关系。

下面结合附图1-9对本发明的结构特征和实施例做一详细介绍：