CN101689743B - 射频激励气体激光源 - Google Patents

Abstract

描述了一种气体激光器，其包括基本相互平行并相对的一对电极(17，37)，在所述电极之间限定包含气体的容积，所述电极在所述气体中产生放电。位于所述电极的相对端反射镜(65)，在所述容积中被布置为限定共振腔。所述电极形成包含所述气体的密封外壳(1)的两个部分(5，7)的一体部件，并且所述反射镜和所述电极容纳在其中。形成外壳的所述两个部分(5，7)彼此电绝缘。

Description

射频激励气体激光源

技术领域

本发明涉及一种激光源，尤其涉及一种用于带有具有任何构造的光腔的所谓射频激励激光源的结构。具体地，本发明涉及一种射频激励气体激光器，优选CO₂气体激光器。

背景技术

在气体激光源的许多构造当中，开发出了这样的激光器，其中气体(典型地为主要基于CO₂的混合物)被包含于在彼此相距特定距离布置的两个伸长的、相互平行的矩形板材或板之间限定的腔中。两个板形成联接到射频发生器的两个电极，以在包含于介入两个板材之间的空间中的气体中产生辉光放电。在形成电极的两个板材的端部布置有反射镜，所述反射镜限定共振腔。反射镜中的一个被设计成从共振腔提取在腔内部生成的激光束。

由电极和由限定共振腔的反射镜形成的系统容纳在密封室的内部，所述密封室使包含气体的容积与外部环境隔绝。含气体室通常为圆柱形或棱柱形室，带有承载反射镜的两个前壁，并且除了反射镜和电极以外，在其中布置有电极冷却系统。

例如在WO-A-9415384中和在美国专利n.5.123.028、n.5.131.003、n.5.131.004、n.5.140.606中和在其他同族专利中，以及在美国专利n.5.661.746、5.894.493、4.787.090、4.438.514中公开了该类型的激光源。

这些已知的激光器存在的缺陷是需要在包含电极和反射镜的室的壁中有密封的穿通以用于将电力供应给电极和冷却剂。这导致特别复杂和昂贵的构造，这也容易产生操作缺陷和故障，例如由于穿通密封件之一的故障。

EP-A-275023描述了一种板式激光器，其中第一和第二电极中的一个设在带有U形截面的盒状结构上并且另一个设在所述结构的盖上。然而，并未说明如何封闭气体包含在其中的容积。在该公开文献中，以极其示意性和简单的方式描述了实施例。盒状结构具有用于电力的穿通并且在离电极的相对表面(在其间产生放电)一段距离处，仅仅通过在该结构的厚度中产生的管道在结构的一侧获得冷却。

EP-A-305893描述了一种板式激光器，带有通过合适的垫片以特定相互距离保持的扁平层状电极，并且在其内部通过形成于电极的厚度内部的管道提供冷却系统。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种射频激励气体激光器，其带有完全或部分克服现有技术的激光源的缺陷的结构。

根据一个方面，在一个实施例中本发明提出了一种用于射频激励激光器的结构，其生产特别简单并且可靠，并且其解决了共振腔与外部环境隔绝相关的问题。

根据本发明的一个实施例，提供了一种射频激励气体激光源，其结构被构造为使得电极形成包含气体的密封外壳的两个部分的一体部件并且反射镜和电极容纳在其中。所述外壳的两个部分是导电的并且彼此电绝缘。

通过该方案气体包含在其中的密封外壳由形成电极的相同部件形成或者外部容器或外壳不再是必要的，使得不必制造用于给射频发生器供电和用于冷却电极的管道的穿通(feedthrough)绝缘子。

在一个实施例中，通过电绝缘元件获得形成外壳的两个部分的电绝缘。在一个实施例中，该绝缘元件由陶瓷、石英、玻璃或优选刚性并且容易加工(例如通过从板材进行激光切割)的另一种合适的材料制造。在一个实施例中，绝缘元件具有平行于两个电极延伸的伸长矩形框架的形状，所述两个电极在形状上也是伸长的。

在一个实施例中，矩形框架围绕两个电极中的一个延伸，两个电极中的一个被构造为限定激光源的外壳的两个部分中的一个的扩展部。

在一个实施例中，外壳为盒状，带有基本棱柱形主体和盖。第一电极设在盖上并且第二电极设在盒状主体上。

在一个实施例中，外壳具有伸长棱柱形状，限定共振腔的反射镜布置在其末端。

在一个实施例中，外壳以沿基本平行于电极的纵向延长线的方向伸长的盒状延伸并且反射镜布置在外壳的末端部分。

在一个实施例中，外壳包括伸长棱柱形主体，中空扩展部从所述主体的底部朝着内部延伸，其中腔可从外部进入并且面对外壳的内部的所述底部的表面限定两个电极中的一个的表面。在一个实施例中，所述主体由带有在平面图中优选为矩形的伸长扩展部的盖闭合。盖可以具有周边凸缘。优选地，所述周边凸缘与棱柱形或盒状主体的边缘配合并且采用框架的形状的电绝缘元件被插入所述边缘和凸缘之间。有利地，密封垫圈可以设在绝缘元件的两个相对面上。

在一个优选实施例中，盖具有面对外壳的内部并且限定两个电极中的另一个的扩展部。面对外壳的内部的该扩展部的底部的表面布置在相对电极的前面，并且因此限定在其内部在气体中产生放电的容积。优选地，形成于盖上的扩展部也是中空的并且朝着外部敞开。

在本发明的一个特别有利的实施例中，在形成激光源的两个相对电极的一个或优选两个中空扩展部中，容纳有通过管道形成的冷却回路，所述管道完全布置在包含气体的腔的外部。这样，不必提供用于冷却管道的穿通。整个冷却回路容纳在含气体腔的外部。

在一个特别有利的实施例中，冷却管道被成形为延伸到在限定相应电极的壁中挖出的底座内部。这样，通过将冷却管道邻近形成在其上产生放电的电极的面的内表面设置而获得了电极的有效冷却。

在一个实施例中，外壳的两个部分中的一个保持在地电位，而另一个与射频供电系统关联。所述射频供电系统可以包括一个或多个射频发生器，带有沿着外壳的纵向延长线相互相邻的相应适配网络。平衡感应器也沿着激光源的外壳布置。在本发明的一个优选实施例中，平衡感应器至少部分容纳在形成相应电极的扩展部的内部。这样不必在外壳的壁中设置用于射频供电的任何穿通。

本发明的更多有利特征和实施例在附带权利要求中指出并且将在下面参考本发明的优选实施例更详细地进行描述。

附图说明

通过显示本发明的实际非限定性实施例的以下描述和附图将更好地理解本发明。尤其是，在图中：

图1显示了根据本发明的激光源结构的分解图；

图2显示了组装源的侧视图；

图3显示了根据图2的III-III的平面图；

图4显示了根据图3的IV-IV的截面；

图5显示了根据图2的V-V的截面；

图6显示了根据图2的VI-VI的前视图；

图7显示了根据图3的VII-VII的横截面；以及

图8显示了分解图，显示了平衡感应器、适配网络和射频发生器组装在激光源的结构上；

图9A显示了在一个改进实施例中的激光源的结构的纵截面；

图9B显示了根据图9A的线IXA-IXA的截面；以及

图10显示了根据图9的X-X的横截面。

具体实施方式

在图1-8所示的实施例中，作为整体由1指示的激光源包括外壳3，所述外壳包括具有基本矩形平面形状的第一部分5和具有基本中空棱柱形状的第二部分7，在平面图中第二部分的尺寸与第一部分5基本相同。

尤其是，在本发明的一个实施例中，部分5包括由带有通孔11(特别参见图7)的基本矩形的凸缘9限定的周缘，夹紧螺钉13接合到所述通孔中，以将部分5连接到外壳3的相对部分7。

在凸缘9的伸长矩形延伸部的内部，部分5具有基本带有伸长棱柱形状的扩展部14。扩展部14是内部中空的并且限定基本以平行六面体的形状延伸的空间或腔15，所述腔的底壁由17指示。空间或腔15朝着外部敞开。在面对腔15的内部的底壁17的表面上设有两个平行凹槽19，例如由铜制造的用于循环冷却剂的两个管道21容纳在所述凹槽内部，如下面更详细地所述。每个管道21(特别参见图1)被成形为带有直线中间部分21A，所述直线中间部分被插入设在壁17中的相应底座或凹槽19中。直线部分21A通过弯曲部21B连接到两个末端21C，每个管道21通过所述末端连接到未显示的冷却回路。

在与底座或凹槽19设在其中的表面相对的表面上，壁17被加工以限定有助于支持辉光放电的表面23，辉光放电形成于表面23与以下述方式设在外壳3的部分7中的相对并平行的表面之间。在一个可能的实施例中，表面23可以被加工以进行反射，尽管这不是严格必需的。

实质上，上述的扩展部14形成激光源1的结构所配备的电极对的第一电极，并且在所述电极对之间通过下述的射频发生器产生放电。

外壳3的部分7以储罐的形式基本被成形为中空平行六面体，带有长侧壁7A、前壁7B和底壁，棱柱形扩展部31从所述底壁朝着盒状部分7的内部延伸。所述扩展部的前表面33具有与设在相对扩展部14上的表面23基本相同的形状。表面33以类似于表面23的方式被加工。

以与对扩展部14的设置相同的方式，部分7的扩展部31是内部中空的并且具有朝着外部敞开的腔或空间35，所述腔或空间具有类似于腔15的伸长棱柱形状。该腔由底壁37界定，所述底壁用它的面限定在外壳3内部的前述表面33并且用相对面限定在外壳3外部的表面39。以与扩展部14的表面17相同的方式，表面39具有两个基本直线底座或凹槽41，基本与管道21形状相同、也由例如铜制造的冷却管道43容纳在其中。管道43和管道21两者可以以不同的数量被设置，例如用于容纳激光器的共振腔的结构的每个部分有一个管道或两个以上管道。

可以使用导热胶提高冷却管道与用于容纳它们的底座设在其中的壁17和37之间的热连接。管道21、43在设在电极的壁中的底座中的特殊布置允许紧邻必须除热的电极的表面采用冷却剂。

外壳3的两个部分5和7相互联接并且中间插入电绝缘元件45。在所示实施例中，绝缘元件45具有基本伸长矩形框架的形状，尺寸近似对应于外壳3的部分5的凸缘9的形状。所以框架45具有矩形外缘45A和矩形内缘45B。在所述两个基本同心边缘之间设有用于螺钉13的通孔49，所述螺钉接合在沿着部分7的周缘设置的螺孔51(图1)中。这样，借助于螺钉13，部分5和7可以相互联接并且中间插入绝缘元件45，使得由导电材料例如铝制造的两个部分5和7可以保持在不同电位。

当部分5和7相互联接并且插入框架45时，它们限定用于包含气体例如CO₂或CO₂与其他气体的混合物的容积，所述气体处于足以产生和保持电极在其中产生辉光放电的压力。部分5和7的扩展部14和31所形成的电极容纳在部分5和7所限定的该容积的内部。

这样，同时使在其中产生辉光放电的含气体容积与产生该放电的电极隔绝的外壳由这些部分5和7形成。为了保证部分5和7所限定的容积的内部与外部之间的改善密封，垫圈55布置在框架45与部分5和7之间。在一个优选实施例中，凸缘9具有用于第一垫圈55的带有基本矩形扩展部和带有半圆形横截面的底座9A，所述第一垫圈被压靠在框架45的相应表面上。第二底座7A沿着部分7的边缘7D设置以容纳与第一垫圈形状相同并且与框架45的相对表面配合的第二垫圈55。

在一个可能的实施例中，在组装布置中，由面对部分5和7的内部的扩展部形成的电极的相对平坦表面23和33通过由绝缘材料制造的间隔元件61保持在彼此相距恰当的距离处，所述间隔元件沿着表面23和33的边缘定位在适当距离处。然而，这些间隔元件可以被省略并且电极的相对表面之间的恰当相互距离可以通过以必要的精度制造绝缘框架45和与绝缘框架接触的表面来获得。

承载限定共振腔的反射镜65的板63与部分7的相对面7B关联，由于激光源的两个电极的相对表面23和33之间的辉光放电在包含在外壳3中的气体中产生的光辐射被反射到所述共振腔内部。反射镜65的形状是本身已知的类型并且在本文中不进行详细描述。它可以与所示的不同并且可与共振腔的其他特性相容的反射镜的任何形状可以被使用。一般而言，反射镜配备有用于调节它们的倾角的机构并且配备有用于从共振室的一侧提取光辐射的系统。

形成激光源的相对电极的两个棱柱形扩展部14、31的腔15和35不仅用于容纳冷却管道21和43，而且(对于部分7)容纳一个或多个适配网络71(参见图8)，所述适配网络与一个或多个射频发生器73关联并且例如沿着扩展部14内部的腔的纵向延长线布置。除了适配网络71以外，腔也容纳一个或更多个平衡感应器75。在图8所示的实施例中，提供了几个发生器和几个适配网络，平衡感应器插入成对的适配网络之间。然而，不同构造也是可能的，例如使用单一发生器和/或单一适配网络以及平衡感应器的不同布置。

从以上描述显而易见，使用根据本发明的实施例，有可能获得相对于外部环境气动隔绝的容器，在其中产生放电的气体容纳在所述容器中，而不需要在容器中产生穿通以用于到电极的供电和用于冷却剂的循环。形成限定两个电极的两个内部中空扩展部的外壳3的两个部分5和7的形状允许容纳冷却回路而不用穿过气体容器的壁，并且在该情况下也允许容纳与射频发生器(一个或多个)关联的平衡感应器而不用穿过界定气体包含在其中的共振腔的壁。

图9A、9B和10显示了一个改进实施例，其中获得了更有效的热交换并且因此获得了除热。相同的数字指示与图1-8的实施例相同或等效的部件。

在该改进实施例中，两个嵌入件71和73分别容纳在两个腔15和35内部。两个嵌入件71、73具有矩形凸缘71A、73A，所述矩形凸缘借助于垫圈75、77形成外部与内腔之间的不透液体封闭，所述内腔界定在每个嵌入件71、73和嵌入件容纳在其中的相应腔15、35的内表面之间。而且，扩展部14和31的内壁17和37具有凹槽17S和37S，所述凹槽近似地在壁17和37的整个纵向延长线延伸。这些凹槽由相应嵌入件71和73的底壁71B、73B封闭。这样，用于循环冷却剂的通道形成，直接形成于形成电极的金属材料(典型地为铝)中。所以，冷却剂紧邻源的两个电极的相对表面23和33循环，从而允许以最大效率去除气体中的放电所产生的热。

冷却剂通过布置在腔15和35的端部的成对连接器81、83被馈送到由凹槽17S和37S形成的通道中。凹槽17S、37S和连接器81、83的数量可以相对于图9和10中所示的情况变化。在任何情况下，它将被选择为优化除热。

数字85指示平衡感应器75的夹紧螺钉，其穿过底壁71中的通孔并且与形成于壁17之下的电极接合。

应当理解附图仅仅显示了通过本发明的实际布置提供的例子，所述例子可以在形式或布置上变化而不脱离本发明的基本概念的范围。提供附带权利要求中的参考数字是为了便于参考说明书和附图阅读权利要求，而不是限制权利要求所代表的保护范围。

Claims (39)

1.一种气体激光器，包括：相互平行并相对的第一电极和第二电极，在所述第一电极和第二电极之间限定包含气体的容积，所述第一电极和第二电极在所述气体中产生放电；位于所述第一电极和第二电极的相对端处的反射镜在所述容积中限定共振腔；密封外壳，所述密封外壳包括包含所述气体的两个部分，并且所述反射镜以及所述第一电极和第二电极被容纳在所述密封外壳中；其中通过布置在所述外壳的两个部分之间的电绝缘元件使所述外壳的两个部分彼此电绝缘，其特征在于：所述第一电极和所述第二电极具有伸长矩形延伸部并且所述第一电极和所述第二电极中的每个具有平坦表面，所述平坦表面相互平行并界定包含气体的所述容积；并且所述第一电极和第二电极由面对所述外壳的内部的扩展部形成，所述第一电极和第二电极中的每个电极由所述外壳的两个部分中的一个部分承载。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述电绝缘元件具有伸长矩形框架的形状。

3.如权利要求2所述的激光器，其特征在于所述伸长矩形框架围绕所述第一电极和第二电极中的一个延伸。

4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述外壳具有沿平行于所述第一电极和第二电极的纵向延长线的方向伸长的盒状延伸部并且所述反射镜布置在所述外壳的端壁处。

5.如权利要求2所述的激光器，其特征在于所述外壳具有沿平行于所述第一电极和第二电极的纵向延长线的方向伸长的盒状延伸部并且所述反射镜布置在所述外壳的端壁处。

6.如权利要求3所述的激光器，其特征在于所述外壳具有沿平行于所述第一电极和第二电极的纵向延长线的方向伸长的盒状延伸部并且所述反射镜布置在所述外壳的端壁处。

7.如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述扩展部中的每个由外壳的相应部分以一体件形成。

8.如权利要求2-7中的任一项所述的激光器，其特征在于所述扩展部中的每个由外壳的相应部分以一体件形成。

9.如权利要求1-7中的任一项所述的激光器，其特征在于所述扩展部中的至少一个扩展部是内部中空的并且朝着外壳的外部敞开。

10.如权利要求1-7中的任一项所述的激光器，其特征在于所述扩展部中的两个扩展部是内部中空的并且朝着外壳的外部敞开。

11.如权利要求9所述的激光器，其特征在于包括容纳在内部中空的所述扩展部中的冷却系统。

12.如权利要求11所述的激光器，其特征在于所述冷却系统具有容纳在形成于内部中空的所述扩展部的、形成所述第一电极和第二电极的壁中的凹槽中的管道。

13.如权利要求11所述的激光器，其特征在于所述冷却系统具有形成于内部中空的所述扩展部的、形成所述第一电极和第二电极的壁中的纵向通道。

14.如权利要求13所述的激光器，其特征在于所述通道具有大于形成所述第一电极和第二电极的壁的一半厚度的深度。

15.如权利要求1-7中任一项所述的激光器，其特征在于所述外壳的两个部分中的第一部分具有第一周缘并且所述外壳的两个部分中的第二部分具有第二周缘，所述第一周缘和所述第二周缘相互联接并且中间插入所述电绝缘元件。

16.如权利要求15所述的激光器，其特征在于至少一个密封垫圈布置在所述第一周缘和所述第二周缘之间。

17.如权利要求15所述的激光器，其特征在于包括在所述第一周缘与所述电绝缘元件之间的第一密封垫圈和在所述第二周缘与所述电绝缘元件之间的第二密封垫圈。

18.如权利要求15所述的激光器，其特征在于所述第一周缘围绕形成所述第一电极和第二电极中的一个电极的伸长矩形扩展部。

19.如权利要求15所述的激光器，其特征在于所述第一周缘包括伸长矩形凸缘。

20.如权利要求19所述的激光器，其特征在于所述凸缘平行于所述第一电极和第二电极。

21.如权利要求19所述的激光器，其特征在于所述伸长矩形凸缘围绕限定所述第一电极和第二电极中的一个电极的第一扩展部延伸，所述第一扩展部从所述凸缘朝着所述第二外壳部分的内部延伸。

22.如权利要求21所述的激光器，其特征在于所述外壳的两个部分中的第二部分具有沿着所述第二周缘联接的盒状主体，并且第二扩展部从所述盒状主体的底部延伸，从而朝着所述外壳的第一部分延伸并且限定所述第一电极和第二电极中的另一个电极。

23.如权利要求22所述的激光器，其特征在于所述第一扩展部和所述第二扩展部具有伸长的矩形横截面。

24.如权利要求21所述的激光器，其特征在于所述第一扩展部是内部中空的并且第一冷却系统容纳在所述第一扩展部的内部。

25.如权利要求24所述的激光器，其特征在于所述第一冷却系统包括用于循环冷却剂的管道。

26.如权利要求24所述的激光器，其特征在于所述第一扩展部具有在与所述第一电极相对的一侧朝着外部环境敞开的内腔。

27.如权利要求26所述的激光器，其特征在于所述第一扩展部被成形为具有矩形截面的平行六面体，带有形成第一电极的伸长底座并且在与所述底座相对的一侧敞开。

28.如权利要求27所述的激光器，其特征在于所述伸长底座具有凹槽，所述第一冷却系统的管道容纳在所述凹槽内部。

29.如权利要求28所述的激光器，其特征在于所述伸长底座具有朝着外部闭合的凹槽，从而形成用于循环所述第一冷却系统的冷却剂的管道。

30.如权利要求22所述的激光器，其特征在于所述第二扩展部是内部中空的并且第二冷却系统容纳在所述第二扩展部的内部。

31.如权利要求30所述的激光器，其特征在于所述第二冷却系统包括用于循环冷却剂的管道。

32.如权利要求30所述的激光器，其特征在于所述第二扩展部具有在与第二电极相对的一侧朝着外部环境敞开的内腔。

33.如权利要求32所述的激光器，其特征在于所述第二扩展部被成形为具有矩形截面的平行六面体，带有形成第二电极的伸长底座并且在与所述底座相对的一侧敞开。

34.如权利要求33所述的激光器，其特征在于所述伸长底座具有凹槽，所述第二冷却系统的管道容纳在所述凹槽内部。

35.如权利要求34所述的激光器，其特征在于所述伸长底座具有朝着外部闭合的凹槽，从而形成用于循环所述第二冷却系统的冷却剂的管道。

36.如权利要求22所述的激光器，其特征在于所述盒状主体在正交于所述第一电极和第二电极的纵向延长线的壁上承载所述反射镜。

37.如权利要求11所述的激光器，其特征在于射频激励系统容纳在中空扩展部的至少一个的内部。

38.如权利要求37所述的激光器，其特征在于所述射频激励系统包括沿着所述第一电极和第二电极的纵向延长线排列的多个平衡感应器。

39.如权利要求37所述的激光器，其特征在于所述射频激励系统包括容纳在所述中空扩展部中的一个或多个适配网络。

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