CN1017113B - 激光气体的电激励方法及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光气体的电激励方法及激光器。混合气体由内含放电管的微波波导管耦合的频率为千头赫范围的微波来激励。为了避免在激光气体微波激励过程中形成腔壁表面层，并生成大量均匀等离子体。让微波耦合区中的激光气体经过导流管再输入，并在那儿由同轴被导管点燃。然后，点燃的激光气体与微波一起在放电管中延伸扩散。形成均匀的被激发的激光活性媒质。此外，让微波波导管工作在“截止宽度”除近时，可以改善媒质的均匀性。

Description

本发明涉及激光气体的电激励方法及激光器，特别涉及二氧化碳、氦和氮混合气体（CO₂-He-N₂）的激励方法及激光器，混合气体垂直于轴向放电管注入，并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并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，产生更多的电子并使等离子区加宽。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SchorR    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。

运用价格合理的微波发生器，尤其是微波炉发生器来激励激光气体，便能使这种激光器的应用更有效、更广浮、更经济实惠。由于微波发生器效率高且无负载阻抗，所以这种激光器效率很高。在千兆赫（2.45GHz）范围内被激发的气体激光器的效率约为30%。为达到大功率密度及简化气体循环过程，可将放电电压调得比直流或高频激励时更大。使用电气效率为70%的微波发生器，使得点火机构的 价格便宜。由于结构紧凑，并采用特殊进气装置，所以激光气体循环的流体阻抗很小，这样就简化了气体的循环交换回路。不需要噪声很大的大功率循环泵。也不存在高压危险，因为发生器的外壳接地，没有高压传输元件。与权利要求1-32项相对应的微波激励气体激光器的输出功率可达数千瓦（KW）。它们即可以连续工作，也可以工作于脉冲状态。我们借助于优先实施例的大功率激光器并以上述结构形状来说明我们的发明。大功率激光器可以优先应用于材料加工，由其是用于焊接、切割或表面处理。激光媒质是快速流动的He-CO₂-N₂混合气体。这种气体点燃后在大约70毫巴的压力下放电。显然，在20～200毫巴压力范围内，本发明提供的方法和装置对红外光谱区的CO-、HCN-、或HF激光器也适用。

轴向输气的气体激光器的结构中放电管由下列两种分叉形式组成，一种是T形分叉结构加激光气体入口。T型分叉结构上由两个左右分置，长度相等的臂;气体入口与轴向激光气体放电管垂直。另一种是单臂式L型分叉结构加激光气体入口。且气体入口就装在此臂上。其中，连接微波发生器的波导与激光气体放电管垂直并位于气体入口所在的范围内。激光气体通过T型或L型分叉结构在谐振腔方向上被微波发生器激励。

在实用结构中，我们规定，包含放电管的波导和位于发生器与放电管之间的波导的断面都为矩形。并规定，为形成波导通路，在发生器与放电管之间的波导的一个侧面上装两个调节阻抗匹配的螺钉。螺钉中心距与波导内微波波长的1/4相关。一个螺钉到侧面中心线的距离为波导内波长的1/16。采用这种结构，只需两个螺钉就能满足各种阻抗匹配的需要，因为每拧动一次，就产生4种螺钉位置状态。

为屏蔽微波，防止外逸，同轴波导的气流入口端是电封闭的。此 外，点火电极上装有用于改变气流形状的绝缘园柱体。其结构的考虑原则是，一方面进气同轴波导的截面不被堵塞;另一方面应能在绝缘放电管中产生湍流动。所谓同轴波导管就是截面为矩形或园形的导电体外壳，中间有内导电体。

在本发明的结构中，波导管内的绝缘放电管与T型或L型分叉结构是同轴设置的。放电管的气体入口插入园形截面的同轴波导管。在波导管内放置绝缘放电管，以便使被激励的激光气体按某种确定的方式封闭起来。

在同轴波导管和放电管入口处放置弹性垫圈，达到了与外界较高压力密封的目的。

在优选实施例中，我们规定，同时作为气体入口的同轴波导管的长度与其中的微波波长的1/4相关。在同轴波导管的电封闭端，短路板同时也作金属点火电极的支架使用。该支架一方面允许激光气体通过，同时又要避免微波外逸且至少带有一个点火电极。点火电极插入同轴波导管中的深度可以调节，而且靠近电流封闭端的直径大于自由端直径。这时，点火电极靠近短路板一端的较大直径直接决定着射入同轴波导管的微波能量;而直径小的自由端则决定了点火场强。通过调节点火电极的插入深度可选择最佳点火场强。

介质气流最好是这样流通的，即气流冷却耦合区内的管壁，在靠近点火电极处形成点火所需的湍流，并使绝缘放电管中的断面温度分布达到均匀。

采用楔形金属套可将矩形波导的宽度大约减小到上文所说的“截止宽度”。由于电场强度提高时波导中的微波波长也被增加;所以，一方面避免沿谐振腔轴向壁上形成表面层;另一方面通过楔形装置来补偿上述的微波吸收引起的功率下降及由此引起的场强的减少。

此外，用于形成电场的尺寸确定的型材金属棒装在矩形波导宽边的内侧，且金属棒的直径比放电管的直径小，从而避免了在谐振腔断面上形成沿腔壁的表面层。电场则沿放电管的轴向被加强。

在另一种结构形式的装置中，我们主张使用不带绝缘放电管的园柱波导管直接作为放电空间，从而构成一种比较简单、比较便宜的气体激光器。波导管的外壳可以用液体比如水之类的简单方法冷却。这时，放电空间的低压区与介质窗口之间采用真空密封连接。为避免在窗口后的低压区点火，窗口后的空腔直径应大于用于微波耦合的矩形波导的断面尺寸。此外，通过对阻抗匹配的适当调整，使得贴近低压区的窗口一侧形成弱电场，从而防护波导管。

在另外的结构型式中，激光气体实际上是横穿激光气体放电管输入和输出的。其中，射入作为同轴波导管使用的激光气体入口中的微波在短路板处被反射，并在入口处的多个点火电极区域中产生贯穿激光放电管的点火电场。采用这种方法可以使气体激光器以较小的气流加速度在相同散热条件下运行。而且，循环过程中气体损耗少，只需用小压差的气泵就够了。

本发明的进一步说明将在权利要求中给出。

本发明的说明实例由图表示并详细说明如下：

图1表示的是轴向输入微波激励，以连续或脉冲方式工作的气体激光器的放电管的优选实施例结构。它具有图中所示的T型分叉结构，矩形波导与由绝缘材料构成的放电管相连。装有点火电极和点火电极支架的同轴波导管作为气体入口、一个绝缘的气流导管、一个用于阻抗匹配的波导和一个微波发生器。

图2表示的是图1中所示的具有作为激光气体放电管的绝缘管在内的矩形波导管的纵向剖视图。同时还表示了气体流入口、点火电极 和带有气流载体的点火电极支架。

图3表示同轴波导管的附视图，包括作为点火电极支架的短路装置。

图4表示具有L型分叉结构放电管的优选实施例结构。

图5表示了图1或图4中所示矩形放电管的横截面，包括两根建立电场的金属棒和一个用于与微波发生器匹配的阻抗可调的波导管。

图6表示连续或脉冲式工作并以轴向微波激励的气体激光器的横截面。其与微波激发装置相连的园柱形波导管与激光气体入口相切。

图7表示的是图6中所示气体激光器的密封窗结构。其中，两个园盘用来连接两个波导管和一个介质窗口。

图8表示气体横向注入式微波激励的连续的或脉冲的气体激光器的模型。其中包括内装金属棒用作激发腔的矩形波导管，用作气体输入的矩形同轴波导管，点火电极和排气网。

图9表示图8所示的矩形波导管的纵向剖面图，包括装在内部的金属棒、用作气体输入并装有点火电极的专用波导管和排气网。

图1、2、4和5中，表示了轴向输入、微波激励且与位于谐振腔光轴20上的激光气体放电腔12相连的激光器的放电管25的结构。放电管25实际上由具有两个长度相等的臂16、17的T型分叉15和一个与激光气体放电管12成90°的角11放置的激光气体输入装置21组成。

激光气体从入口21到两个出口73、74的传输由图中未详细说明的泵执行。並形成一种自身密闭的激光气体循环系统。

根据图中的实际结构，臂16、17作为矩形或园形截面的波导。激光气体入口21构成同轴波导。並且共同用于支承同心放置的绝缘放电管34。

波导27为矩形截面，並以90°角13与臂16、17的分叉15和激光气体入口21的空间相连接，同时装有微波发生器26。微波发生器26采用现成的结构，其发射频率为2.45千兆赫。

微波从图中未详细标明的微波发生器26中的天线发射到用两个螺钉28、29调节阻抗匹配的矩形波导27中，並在波导25的耦合区14中激励激光气体。螺钉28、29分别装在波导27的侧面32上半长区33内。螺钉中心距30满足1/4波长要求。螺钉28距离侧面中心线31的距离为波导管27中波长的1/16。

激光气体输入口21的末端装有金属短路极22。此金属棒即是点火电极支架，又装有气体造形物体75。点火电极支架上至少装有一根伸入到激光气体入口21中的点火电极23。此点火电极23伸入到激光气体入口21中的深度可以调节。其指向短路板22一端的直径37大于自由端38的直径。激光气体入口21和放电管34的入口35之间装有密封圈36。

构成波导管的双臂16和17在其指向耦合输出或端面反射镜39、40的两侧封装着端盖41和42，用来防止微波迭出。端盖41和42上的同心通孔44、45是用来装入绝缘放电管34的。

在矩形波导16、17内与波导27相连的壁50及与壁50相对的壁51的旁边装有楔形金属套52，它使波导管16、17的宽度几乎减少到“截止宽度”。楔形金属套52从分叉15所在的区域起以角度增加的方向延伸到端盖41、42处。这样，波导管16、17内的微波波长就大于两倍激光气体放电管12的长度19。

波导管内与壁50、51垂直的壁53、54的内侧装有半园形金属棒55。这些型材金属棒55有一小小的宽度56，如同放电管直径57一样在放电管34的下方或上方沿着与光轴20平行的方向 放置。

图4中表示的是具有L型分叉15的放电管模型25。它由一个激光气体入口21和一个单臂18组成。此放电管的其它结构与前面介绍的结构一致，且同一零件的标号也相同。

图6中表示的是气体激光器放电管25的横截面图。这种放电管由两个园柱波导管16、17和一个直接与激光气体放电管12相联的T形分叉或由一个园柱波导管18和一个直接与激光气体放电管12相联的L型分叉组成。园柱波导管16、17、18内放有用来产生电场的金属棒。为在微波激励过程中产生旋转电流，将激光气体入口21与波导管成切线放置。在这种放电管25中，位于气体入口处的点火电极23插入波导管16、17、18中，並与点火电极24共同形成激励激光气体的点火电场。这些标号为24的点火电极与激光气体入口21同在一个平面内。为使阻抗匹配，波导管16、17、18通过连接件58与矩形波导管27相连。连接件58与波导管27之间由真空密封圈59形成与大气隔绝的低压区（放电管25）。而真空密封由一个装在两块园盘61、62之间的窗口60组成。为避免在低压区靠近窗口处直接点火，位于窗口60之后面向激光放电管的空腔63的横截面大于波导管27的截面。

图8、9中表示的是一种矩形波导管与激光气体放电管12相连的横向（箭头方向64）注入式微波激励气体激光器的放电室65。此放电室具体由以下几部分组成：

一个同时也构成放电室65的矩形波导管，一个特殊的具有进气口67的激光气体入口装置21;它同时作为矩形波导管，而且几乎延伸到整个放电室65中。一个短路极22，它支承着点火电极23和点火电极支架，並由于结构上的特殊设计，可阻止微波迭出。一个 装在底面71上的金属网70，用它将气体从激光气体排出装置72中排出，但微波不能通过。两根金属棒55装在放电室65的侧面68、69上，用来建立电场。两块具有通孔44、45的真空密封端盖41、42与激光光轴同心位置，以确保微波场的封闭。

Claims (32)

1、一种激光气体，特别是CO₂-He-N₂混合气体的电激励方法，气体先是垂直于轴向激光气体放电管(12)，然后以角(11)输入；并由于垂直与放电管(12)以角(13)耦合进波导管的微波点燃，所述方法的特征在于，激光气体输入微波耦合区(14)，在那里被点燃，微波和被点燃的激光气体经分叉结构(15)传输到激光气体激励腔(12)的两臂(16)、(17)或单臂(18)中。

2、根据权利要求1的方法

其特征在于，波导管中的微波波长远大于激光气体激励腔（12）的有效长度（19）。

3、根据权利要求1或2的方法

其特征在于激光气体激励腔（12）与谐振腔光轴（20）重合。

4、根据权利要求1～3的方法

其特征在于，激光气体入口（21）作为同轴波导管作用。射入波导管的微波在短路板（22）处被反射，并且在点火电极（23）（24）的区域中产生点火电场。气体入口装置上装有绝缘的气流导管。

5、根据权利要求1～4的方法

其特征是微波具有2.45GHZ频率。

6、一种根据方法1～5所作成的气体激光器，特别是气体快速输入的大功率CO₂激光器，这些激光器至少有一个激光气体输入放电管（25）和一个频率在千兆赫范围的微波发生器（26），而且放电管（25）与微波发生器（26）之间由波导管（27）连接，

其特征在于，放电管（25）由具有两个等长臂（16）、（17）的T型分叉结构和一个与激光气体放电管（12）垂直並以角（11）使气体入射的激光气体入口（21）组成;或者由一个装有单臂（18）的激光气体入口（21）组成，通往微波发生器（26）的波导管（27）与激光气体放电管（12）成角度（13），与放电管（12）垂直並位于气体入口（21）所在的分叉结构内。

7、根据权利要求6的气体激光器，

其特征是波导管（27）的横截面为矩形。波导管（27）的一侧装有两个螺钉（28）、（29），用于调节波导管的阻抗匹配。每个螺钉位于侧面（32）的半长位置（33）内，螺钉（28、29）的中心距（30）与波导管（27）内的微波波长的1/4相关，螺钉（28）到中心线（31）的距离为波导管（27）内波长的1/16。

8、根据权利要求6～7的气体激光器，

其特征是臂（16、17、18）都作波导管使用。激光气体入口（21）作同轴波导管並装有短路板（22）。

9、根据权利要求6～8的气体激光器

其特征是同轴波导管（21）的长度与波导管中微波长度的1/4相关。位于同轴波导管（21）电闭合端的短路板（22）用作点火电极的金属支架。它既允许需要的气体输入输出，又防止微波外逸，並至少带一个点火电极（23、24）。

10、根据权利要求6～9的气体激光器

其特征在于，点火电极（23）、（24）在同轴波导管（21）中的深度可调，並且靠近短路板（22）一端的直径（37）大于自由端（38）处的直径。

11、根据权利要求6～10的气体激光器

其特征在于，在波导管（16、17、18）内，绝缘放电管（34）与分叉结构（15）同轴设置。

12、根据权利要求6～11的气体激光器

其特征在于，同轴波导管（21）和绝缘放电管（34）的入口（35）之间有一密封圈（36）。

13、根据权利要求6～12的气体激光器

其特征是波导管（16、17、18）与耦合输出或端面反射镜（39、40）处由盖板（41、42、44）连接;盖板防止微波逸出。端盖（41、42、44）上有同心通孔（43、45、46）用来装入直径较小的放电管（34）。

14、根据权利要求6～13的气体激光器

其特征是波导管（16、17、18）为矩形截面。

15、根据权利要求6～14的气体激光器

其特征是，在波导管（16、17、18）内与波导管（27）相连的壁（50）和与壁（50）相对的壁（51）的侧面装有楔形金属套（52）。此金属套几乎可以使波导管（16、17、18）的宽度减少到“截止宽度”。

16、根据权利要求6～15的气体激光器

其特征是，波导管（16、17、18）内，与同轴波导管（21）相连的壁（53）与壁（53）相对的壁（54）旁装有形成电场的半园形金属棒（55）。

17、根据权利要求16的气体激光器

其特征是金属棒（55）的宽度（56）小于放电管的直径（57）。

18、根据权利要求6～13的气体激光器

其特征是波导管（16、17、18）为园形断面。

19、根据权利要求13的气体激光器

其特征是在园柱形波导管（16、17、18）的内部装有型材金属棒（55）。

20、根据权利要求6～10或18～19的气体激光器

其特征是激光气体入口（21）与放电管相切。

21、根据权利要求20的气体激光器

其特征是，波导管（16、17、18）内部的激光气体入口（21）与波导管（27）所涉及的区域内装有点火电极（24）。

22、根据权利要求6～10或10～18的气体激光器

其特征是，波导管（27）与介质窗口（60）相连，窗口用真空密封法或陶瓷化合物密封法，装在两个园盘（61、62）之间。

23、根据权利要求22的气体激光器

其特征在于，窗口（60）后面通向激光放电管（12）的空腔（63）的断面尺寸大于波导管（27）的断面尺寸。

24、激光气体，由其是CO₂-He-N₂混合气体的一种激励方法，混合气体首先垂直于轴向激光放电管（12），然后以角（11）输入;并由先垂直于激光放电管（12），然后以角（13）耦合进来的微波点燃，

其特征在于，激光气体实际上是横向地（箭头64方向）穿过整个激光气体放电管（12）输入并输出的，射入激光气体入口（21）的微波在短路板（22）上被反射，并在多个点火电极（23）区域内穿过整个激光气体放电管（12）建立点火电场，用来点燃激光气体。

25、根据权利要求24的激光气体激励方法，

其特征是激光气体放电管（12）与谐振腔光轴（20）重迭。

26、根据权利要求24或25的方法制成的气体激光器、尤其是快速流动高功率CO₂激光器，这种激光器中至少包含一个激光气体输入放电室（65）和一个频率在千兆赫范围的微波发生器（26），放电室（65）和微波发生器（26）用波导管（27）直接相连。

其特征在于，放电室（65）由一个矩形断面波导管构成。波导管上装了一个几乎伸入整个放电室（65）内、断面形状为矩形的激光气体入口（21），此激光气体入口（21）也作波导管，微波耦合波导管（27）装在激光器的中央部位，並与放电室（65）和激光气体入口（21）垂直，夹角为（13）。

27、根据权利要求26的气体激光器，

其特征在于，波导管（27）的断面为矩形，用位于波导管（27）侧面的两个螺钉（28、29）来调整波导管延伸部分的阻抗，每个螺钉位于侧面（32）的半长（33）处，螺钉（28、29）的中心距与波导管（27）中的波长的1/4相关，螺钉（28）距中心线（31）的距离为波导管（27）中波长的1/16。

28、根据权利要求26或27的气体激光器，

其特征在于激光气体入口（21）由短路板封闭，並留有允许气体流过的开口（67）。

29、根据权利要求26～28的气体激光器，

其特征在于，激光气体入口（21）用作矩形同轴波导管，且短路板（22）也作点火电极支架用。

30、根据权利要求26～29的气体激光器，

其特征在于，型材金属棒（55）装在放电室（65）的窄侧的内表面。

31、根据权利要求26～30的气体激光器，

其特征在于，激光气体输出端（72）的底面（71）上装有型材金属棒（70），它防止微波外泄，且保证激光气体顺利排出。

32、根据权利要求1～31的气体激光器，

其特征在于，微波发生器（26）本身就是现成的微波炉发生器。

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