CN100361353C - 一种紧凑型氦氖激光器装置 - Google Patents

Abstract

一种可获得较大功率激光输出的紧凑型氦氖激光器的构建方法及其装置，本发明采用横截面为一十字形或一对称分布多十字形截面的放电管，利用射频放电激励氦、氖混合气，使用两镜稳定谐振腔，从而解决短激光管情况下获得较大氦氖激光输出问题。装置可供激光医疗、激光生物、激光舞台照明和激光信息记录及处理等场合使用。

Description

一种紧凑型氦氖激光器装置

技术领域  本发明涉及光学和光学工程领域，主要是采用横截面为一十字形或一对称分布多十字形截面的放电管和射频放电激励来获得较大氦氖激光输出功率的方法及其装置。

背景技术  一般的氦氖激光器是由圆形横截面毛细管的氦氖气体放电形成激光的。如，美国US一4429399号专利所说的氦氖激光器就是一个例子。这种激光管结构要提高激光输出功率，必须增长放电管长度。当放电管很长时，使用很不方便。中国凌一呜发明了由横截面为矩形的放电管做成的氦氖激光器(发明专利审定号85100563)，使一米长器件的激光输出提高为圆截面管输出的1.5倍，或更高一点。其缺点是管的矩形截面的长边不能太长，太长则放电不稳定，同时长边太长必将使用大尺寸的腔镜，这也不方便。此外，射频放电已广泛使用于气体放电激光器，并于20世纪七十年代就成功用于氦氖激光器(P.W.Smith，Applied PhysicsLetters，V0l.19，No.5，1971，132-134)，射频放电为异型放电管放电带来一定方便。

发明内容  本发明的目的在于构建提供一种可以在较短放电管情况下获得比同等长度圆管、矩管输出功率更大的氦氖激光器。

本发明所构建提供的大功率氦氖激光器是由氦氖激光放电管、光学谐振腔以及激光器的射频电源组成的氦氖激光器，其特征在于限制激活介质的放电管在垂直于放电管轴向的放电截面为一十字形或一对称分布多十字形截面，十字形截面的中心均在放电管的轴线上。每个十字形截面由两个条形区组成，条形区的长短两维尺度之比为10∶1。这样，利用短边长度来保证足够的激光增益，利用适当较长的长边尺寸来提供较大的模体积，具有多十字形截面的放电管的模体积将是很大的，可以兼顾影响提高输出功率的诸因素。因此，这种构建方法提供的激光器与同样放电长度的圆截面或矩形截面放电管相比，其输出功率要大得多，光斑面积也大得多。

本发明提供的氦氖激光器与现有氦氖激光器相比，具有输出功率大，结构极为紧凑，成本低，寿命长，便于生产，便于使用等优点。可供激光医疗、激光生物、激光舞台照明、激光信息记录及处理等需求大功率氦氖激光的应用场合使用。

附图说明  图1是这种构建方法提供的氦氖激光器的示意图，其中1为介质膜全反射镜，2为介质膜部分反射镜，也即为激光输出镜，3为石英或玻璃放电管，4为对称分布的双十字形截面，5为石英或玻璃介质条，它们把放电管隔成双十字区，6为放电管的充排气管，用于抽高真空和充氦、氖混合气。7为用于射频放电的金属传输带，8为用于调整放电均匀化的电感线圈，9为射频电源，其频率一般为10-20MHz。图2为放电管3的横向剖面图，图中a表示十字形截面的一个条形区的短边长，b表示条形区的长边长度。图3为图1中石英或玻璃介质条5的立体示意图，其长为l，比放电管稍短，高为h，h为放电管内半径减a/2之差，底为一柱面，横截面两边的夹角为θ，当仅一个十字时，θ＝90°，两个十字时θ＝45°，N个十字时则θ＝360°/4N。图4是为获取图3所示介质条而画的加工示意图，是一个截面图，虚线圆表示石英或玻璃圆棒，实线表示经加工后保留的部分，即介质条，弧S的曲率半径与放电管3内壁的曲率半径相同。

具体实施方式  本发明提供的大功率氦氖激光器由如下方案实施。放电管3采用壁较厚、管直且内径均匀的圆形石英或玻璃管。取八根直径与放电管3内半径相近的石英或玻璃棒，置于稳定平台上固定好，两侧以高度为h的定位方条将其夹紧，首先使用长约20cm、正面为负柱面的低碳钢磨具，负柱面曲率半径与放电管内半径相同，用磨具配金刚砂将圆棒的一侧磨为与管3内径相同的柱面，再将石英或玻璃棒转180°，用胶将其底部与平台暂时固定，再用另一长约20cm具有夹角θ(应略小)、深为h的低碳钢V形槽配金刚砂将其磨成如图3所示的条状物，两次加工后均需注意抛光。一般情况下数小时即可完全加工好一个长约1m，高约12mm的石英或玻璃介质条。用两个对称双十字形石墨支架将八根相同的介质条固定于放电管3内，将各个介质条两端分别点焊于管3内壁(为焊接方便，事先将各介质条的两端外侧磨去一部分，以便填石英或玻璃材料)，再在其余位置从外部对介质条施以点焊。具有双十字形对称分布截面的放电管可分工序批量加工、生产。双十字形截面的四个条形区的长短边边长之比为10∶1，这与凌一鸣发明的矩管器件的长短边之比为5∶1的情况接近，而本发明中的双十字形截面管激活体积则可能达到矩管的八倍左右。双十字形截面放电管加工好后，则用玻璃清洗液进行清洗，然后用去离子水反复清洗，清洗好后将其烘干，再将反射镜1、2按谐振腔要求封贴于放电管两端，再将放电管的充排气管与高真空系统连通，抽成高真空(10-6×133.3Pa)后充氦、氖混合气。激光器的谐振腔可根据对激光横模、输出功率、稳定性等来选择谐振腔的结构、参数。射频电源9的电极为两个金属传输带7，当放电管超过30cm长时，一般考虑进行分段射频激励较易获得好的放电。

例如，用内径30mm、壁厚1.5mm、长1m的石英管一根，取八根直径15mm、长99cm的石英棒安于平台上，用长约20cm，曲率半径为15mm的负柱面低碳钢磨具配金刚砂将八根棒的一侧对称地磨下去，使最高处磨去1.5mm，再用夹角为45°、深度为13.5mm的V型槽低碳钢磨具配金刚砂磨另一侧，即可加工出符合要求的八根介质条，经组装点焊即可得到对称双十字形横截面的放电管，双十字形截面的每个条形区宽为3mm，长为30mm，光学谐振腔采用平凹球面内腔结构，凹面全反镜(反射率99.9％)曲率半径3m，平面反射镜透过率为1.5％，经充排气管6抽到高真空(10^-6×133.3Pa)后充0.8×133.3Pa的He、Ne混合气，He与Ne的比例为7.5∶1，射频电源分三段对放电管放电，射频频率取10-20MHz，总注入功率约400-500W，则可得到较大的0.6328μm激光输出。

具有一十字形或一对称分布多十字形横截面放电管氦氖激光器的装置，包括放电管、全反射镜、部分反射镜、充排气管、射频电源、传输带，电感线圈，参照附图1，介质膜全反射镜1与放电管3的端口连接，介质膜部分反射镜2与放电管3的另一端口连接，充排气管6与放电管3在离部分反射镜2数厘处连接，传输带7置于放电管的上下两侧，射频电源9与传输带7连接，电感线圈8连接于上、下传输带7之间，其特征在于放电管的横截面为一个十字形截面或一对称分布的多十字形截面。本装置的优点是：

1.本装置为组合式装置，分散加工难度，可批量生产部件，批量组装整台激光器。

2.本装置能提供较大的增益系数和很大的激活区，故可获得较大氦氖激光功率输出。

3.装置极紧凑、便于使用、运输。

Claims (3)

1、一种由氦氖放电管、光学谐振腔及射频电源组成的氦氖激光器，特征在于放电管(3)与固定于放电管(3)内的4个或4N个玻璃或石英介质条形成的组合将放电管(3)内气体介质的放电区进行了限制，使放电区在垂直于放电管(3)轴向的横截面为一十字形截面或为N个对称分布的十字形截面，每个十字形截面为两个条形区垂直相交而成，条形区的长短两维尺度之比为10∶1，条形区的中心位于放电管轴线上，N为大于或等于2的整数。

2、按照权利要求1所述的氦氖激光器，其横截面为一十字形截面或N个对称分布十字形截面的放电区是由放电管(3)和4个或4N个玻璃或石英介质条的组合限制而成，特征在于这4个或4N个玻璃或石英介质条对称分布于放电管(3)内，其底部的曲率半径等于放电管(3)内半径，高度为放电管(3)内半径减去二分之一十字形截面的条形区的短维尺度(a)，4个玻璃或石英介质条的顶角为90度，而4N个玻璃或石英介质条的顶角为360度/4N，其底部与放管(3)内壁间的固定是由玻璃与玻璃或石英与石英材料间的点焊而成的，点焊是先将这4个或4N个玻璃或石英介质条的两端与放电管内壁接触的一侧先磨去一些，然后在石墨支架固定下在两端填玻璃或石英材料后将玻璃或石英介质条与放管(3)内壁进行焊接，介质条的其余位置从放电管(3)外部施以点焊。

3、一种氮氖激光器装置，包括石英或玻璃放电管(3)、全反射镜(1)、部分反射镜(2)、充排气管(6)、射频电源(9)、金属传输带(7)、电感线圈(8)，全反射镜(1)与放电管(3)的一端连接，部分反射镜(2)与放电管(3)的另一端连接，充排气管(6)在离部分反射镜(2)数厘米处与放电管(3)连接，金属传输带(7)置于放电管(3)的上下侧作射频电源电极用，上下侧金属传输带(7)间通过电感线圈(8)相连接，射频电源(9)与上下侧金属传输带(7)连接，其特征在于垂直于放电管(3)轴向的放电区横切面是一个十字形截面或N个对称分布十字形截面，这一十字形截面或N个对称分布十字形截面是由4个顶角为90度或4N个顶角为360度/4N的玻璃或石英介质条与包含它们的放电管(3)组合构成的放电区的截面，每个十字形截面由两个条形区垂直相交而成，条形区的中心位于放电管(3)的轴线上，条形区的长短二维尺度之比为10∶1，N为大于或等于2的整数，玻璃或石英介质条的底部曲率半径等于放电管(3)的内半径，高为放电管(3)内半径减去二分之一十字形截面的条形区的短维尺度(a)。

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