[发明专利]具有包含抑弧机构的电极组件的激光器

说明书

本发明涉及横向激励或横向激励常压激光器，特别是涉及用于能够抑制辉光—弧光过渡的激光器中所采用的电极组件。

横向激励(TE)或横向激励常压激光器是一种激光气体横向激励的气体放电激光器。最早的TE激光器是于二十世纪七十年代早期开发的，其由电阻式镇流金属杆针阵列构成，这些杆针按照沿光学谐振腔的长度延伸排列设置。它们为直流(DC)放电器件，该器件要求将激励脉冲限制在很短的时间期限，作为典型实例，为几微秒内。由于在激励脉冲开始时产生的大量辉光放电条件受到约束，并且仅仅在几秒钟后变为弧光放电，故上述激励脉冲的持续时间受到限制。

与辉光放电不同，弧光放电无法泵浦激光器的整个体积，并且使输出光束产生畸变和功率波动。按照传统方式，通过在“辉光—弧光过渡”之前，关闭激励脉冲，使这些问题减小到最小程度。弧光放电的形成保持在最小程度的另一方式是限制激光增益介质的压力。但是，该限制的自然结果是限制激光器的输出功率。

涉及TE激光器的改进的主要任务是在最高压力的激光混合体内，形成较大体积的，持续时间较长的辉光放电，同时使辉光—弧光过渡的发生减小到最小程度。由于具有许多因素影响辉光—弧光过渡的频率和严重程度，故该任务已成为艰难的任务。

影响激光放电的参数包括放电空间中的电场分布，在放电体积中的激光气体混合体内部的自由电子分布，电极表面条件，以及放电体积中的气体温度分布。产生较大的体积辉光放电的主要目的在于确保这些参数中每个的均匀性。

弧光放电趋向在等离子体分布不均匀处的激光放电体积中形成。当施加于放电体积内的电场不均匀时，很可能产生这样的非均匀性。但是，等离子体/电场相互作用不是单向的；在一个位置处的等离子体的不均匀性会发展，集中，最终使其周围的电场产生畸变。所施加的电场和等离子体之间的相互作用会使体积辉光放电变为弧光放电的破坏。在进行一些调查之后，已发现采用异型电极，而不是采用最早的TE激光器中的杆针阵列，可减小辉光—弧光过渡的频率。

异型电极用于产生均匀电场的大体积的放电。它们用于使放电体积中的电场的畸变减小到最小程度，该畸变是在电极的边缘处出现的边缘场效应造成的。最常用的电极异型件称为罗戈斯基(Rogowski)异型件。

由异型电极带来的增加的放电均匀性会付出代价。该电极的制造成本较高，并且当偶尔形成弧光放电时，象普通的电极那样，该电极受到破坏。另外，异型电极本身不会防止弧光的形成。

由于当施加电压脉冲时穿过在两个异型电极之间的放电体积自然不形成辉光放电，仍形成有弧光。作为典型方式，自由电子会在快速变为弧光放电的放电体积内的一个位置，导致击穿。

为了进一步避免这样的弧光扩大，可采用体积预电离处理。比如当采用辐射，比如紫外线(UV)光，在施加电场之前，在辉光放电体积内对气体进行电离处理。实际上，该预电离处理均匀地在上述异型电极之间的整个体积内填充自由电子，从而没有一个电子有机会产生弧光放电。

虽然产生预电离辐射一般要求使激光器的成本增加的辐射源以及附加的电子设备，但是预电离和异型电极的组合可大大减小弧光放电的形成。但是，该组合无法完全防止上述弧光放电的形成。因此，必须分析影响辉光—弧光过渡的其它因素。

一个这样的因素是异型电极，特别是阴极电极的表面状态的均匀性。由于TE激光器为DC放电器件，故阴极的副放射特性对流过辉光放电体积的电流分布造成影响。如果阴极表面上的一特定点有利于放电电流的传导的提高，则上述放电集中于此点，进而电场发生畸变，形成辉光—弧光过渡。

电极表面的任何异常会导致在一个特定点处的较高的传导。比如，灰尘或氧化物会产生上述电极表面上的异常。

上述电极表面的异常造成的在任何特定点的较高的传导使激光器的主放电区域内的电场发生改变，从而导致辉光—弧光过渡。

于是，必须对异型电极的表面进行抛光，清洗，去除异物，并且通过下述方式使其处于正常状态，该方式为：在减小的脉冲能级，对电极进行操作，直至在不产生弧光的情况下，上述电极工作。

影响上述TE激光器电极的表面状态的另一因素在于电极材料抵抗因弧光造成的过热部位的形成的能力。弧光具有将足够的能量集中于电极表面上的一个特定点上的能力，使该表面形成凹坑。所形成的电场在上述凹坑的区域是不均匀的，从而导致相同区域的再次弧光的发生，产生不断起弧问题。上述问题的严重性随激光器的重复频率而增加，但是甚至在低到1Hz的频率下，仍存在。于是，不仅必须对异型TE激光器全面地进行抛光处理，而且必须由抵抗弧光表面损坏的高温金属或材料，比如镍或不锈钢形成。