CN1029895C

CN1029895C - 气体激光器的二极放电激励方法

Info

Publication number: CN1029895C
Application number: CN 92102004
Authority: CN
Inventors: 陈清明
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 1992-03-19
Filing date: 1992-03-19
Publication date: 1995-09-27
Anticipated expiration: 2007-03-19
Also published as: CN1076555A

Abstract

本发明属激光领域，涉及一种二极放电激励方法。该方法的主要特征为将正交的、基本正交的、或斜交的电磁场或电场作用于气体放电过程中产生的二次电子，使二次电子受到约束按设计轨道被限制在某种空间曲线的宏观途径上进行，以增加电子飞抵阳极的有效行程与沿途粒子的碰撞次数。

Description

本发明属激光领域。

气体激光器是目前种类最多、用途最广的激光器，迄今为止已获得的放电激励气体激光谱线已有5000种以上。气体激光器中最基本、最关键的问题是激光介质的激励。现有的放电激励方式可主要分为下列几种：（一）直流放电激励;（二）空心阴极放电激励;（三）射频放电激励;（四）无声放电激励;（五）其他。这些放电激励方法都可归结为二极放电，如美国专利U·S·Pat·4958356（1990年9月18日）就是一种二极放电激励的准分子激光器。为了提高激光器的输出功率和放电稳定性，人们对这些放电激励还采用了一些强化手段。这些手段包括电子束预电离、紫外光预电离、X射线预电离、等离子体弧柱和射频预电离等。如美国专利U·S·Pat·4953174（1990年8月28日）就是用于气体激光器的预电离电极，其结构复杂，也不能提高激光器的效率。上述二极放电及其强化放电激励激光介质的方法有明显的缺点，使得目前绝大部分气体激光器的效率和功率都受到现有放电激励方式的限制。其主要理论根据是：现有的普通二极放电激励方式中，放电电压很大一部分降在阴极区，从阴极发射的二次电子被阴极附近的强电场加速后很快到达阳极，沿途产生的有效碰撞（如电离碰撞、激励碰撞等）较少，因此，这种放电中阴极消耗的功率很大，电子到达阳极时还有大量能量变成热能被消耗掉，不仅对激励激光介质无用，而且有时还有害。那些强化了的二极投电，都是依靠外加的源来提高放电中的电离效率，电子运动状态并未改变，其作用确实提高了激光器的注入功率密度，但是，由于外加的源本身的效率也受到了限制，其最终效果是在一定的程度上提高了激光器的功率而效率没有提高甚至有所下降或大幅度下降。

根据上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种用于气体激光器的约束放电的激励方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术措施：将正交的、或基本正交的、或斜交的电磁场或电场作用于气体放电过程中产生的二次电子使二次电子受到约束按设计轨道运行，本发明将此称为约束放电。与普通二极放电激励不同，约束放电激励的基本物理思想是对放电过程中从阴极高速飞出的电子进行约束，使其受到一种力的作用而改变运动方向，并被限制在人工设计的呈某种空间曲线的宏观途径上运行，从而使电子飞抵阳极的有效行程大大增加，电子与沿途粒子的碰撞次数增多，传递给粒子的能量（其中包括电离和激励粒子的能量）也增大，电子自身的能量就降低，能量降低愈多，电子与沿途粒子的碰撞截面就愈大，这样的良性循环过程的两个直接结果是：气体电离程度增加;放电电流和放电稳定性增加，阴极损耗有效地减少;电子到达阳极时本身能量基本耗尽，相当于热电子发射的能量，电子本身浪费的能量也大大减少。正因为如此，约束放电可以显著地提高激励效率。此外，在低气压（10Pa-0.1Pa）条件下，约束放电可以造成阴极原子大量被溅射后再被激励，由此产生激光振荡。在这种冷阴极溅射方式下，通过更换阴极材料就可以得到新的激光介质，这对于寻找新的激光器（例如难熔金属蒸气激光器、短波长激光器和X射线激光器等）是至关重要的，也是现有其他激励方法不可能实现的。

本发明约结放电激励有以下优点：（一）自预电离，由此可获得大体积、高功率的均匀自持稳定放电，而且可以用最简单的平板对平板的结构进行稳定放电。（二）人为控制电子能量，获得高效率激励并实现选择激励。（三）在低气压下仍能获得高效率、大电流放电，产生高效率溅射激励。由于上述优点，使得本方法用于气体激光器的激励后可产生多种重大变革和发展。其一，它可以显著提高现有放电激励气体激光器的功率，并且简化结构、缩小体积;其二，它可以在现有激光器上实现选择激励，大幅度提高效率和功率密度;其三，最重要的是，它可以获得许多目前其它方法还不可能得到的新激光谱线和新激光器，导致新一代（而不是一两种）激光器的诞生。

附图说明如下：

图1（a）平板-平板约束放电激励宏观圆形轨道方法结构原理图。图1（b）为图1（a）的B-B剖视图。

图2 平板-平板约束放电激励，宏观矩形轨道方法结构原理图。

图3 管-平板成对电极约束放电激励，宏观直线（或摆线）轨道方法结构原理图。

图4 四平板电极交流约束放电激励，宏观圆形或直线轨道方法结构示意图。

图5 空心电极约束放电激励、宏观摆线轨道方法结构示意图。

图6 管-平板射频或高频约束放电激励方法结构示意图。

图7 约束放电、电子束击联合激励方法结构示意图。

下面结合附图对本发明进一步说明如下：

（一）平板-平板约束放电激励，宏观圆形轨道方法。图1所示的是平板-平板约束放电激励宏观圆形轨道方法实施的具体结构布局。为了叙述方便起见，用带箭头的实线表示电力线，用带箭头的虚线表示磁力线，以下各图中都如此。图1的方案中放电电极有阴极（1）和阳极（2）;对阴极（1）所加的电压为负极性、对阳极（2）所加的电压为正极性;阴极（1）和阳极（2）之间为产生气体激光增益的激活介质区（3）;因为这种布局中阴极（1）和阳极（2）的放电表面均为平面，所以称之为平板-平板放电。电场方向（即图1中电力线方向）由阳极（2）指向阴极（1），即电场方向与电极的放电表面垂直。紧靠着阴极（1）上方，并排着一定数量的圆形极靴的电磁铁（4）（或永久磁铁），电磁铁（4）的中心圆极靴为北极（或南极），外部圆环形极靴为南极（或北极）。这样，就会有很多磁力线由北极穿出阴极（1）再到达南极，磁场方向（即图1中磁力线方向）与电极的放电表面平行或基本平行，但自身又构成一个放射状圆环。这样的总体布局的结果，使得在阴极（1）的放电表面附近形成了一定数量的圆形捕集阱。当气体在一定的外加电压下产生放电时，电子在电场作用下由阴极（1）向阳极（2）运动，在运动过程中，由于受到与运动方向垂直的力（在磁场情况下电子受到的是洛仑兹力）的作用而改变了运动方向（注：磁力对电子并不作功、因此不消耗能量）。于是，很大一部分电子被迫在圆形捕集阱内运动，宏观上就形成了圆形的轨道。在图1的布局中，这一定数量的圆形轨道并排着成为与电极长度相等的一连串圆形轨道。为了提高放电的注入功率，阴极（1）和阳极（2）都通水冷却，因此在它们上面设置了通水管（5、6、7、8），进一步提高功率，可让激光气体介质进行循环流动并用热交换器将热量带走。图1中所示的最简单的激光谐振腔包括全反射镜（9）和激光输出镜（10）。当然可以根据不同的需要采用其它形式较复杂的激光谐振腔。（二）平板-平板约束放电激励、宏观矩形轨道方法。图2所示的是平板-平板放电激励、宏观矩形轨道方法实施的具体结构布局。放电电极有阴极（11）和阳极（12），阴极（11）和阳极（12）之间为产生气体激光增益的激活介质区（13），阴极（11）和阳极（12）的放电表面均为平面，电场方向由阳极（12）指向阴极（11），即电场方向与电极的放电表面垂直，这些都与图1中的布局相似。不同的是，紧靠着阴极上方，并排着一定数量的矩形极靴的电磁铁（14）（或永久磁铁），电磁铁（14）的中部矩形极靴为北极（或南极）、外部矩形环极靴为南极（或北极）。这样的总体布局的结果，使得在阴极（11）表面附近形成了一定数量的矩形捕集阱，迫使放电过程中很大一部分电子在矩形捕集阱内运动;宏观上就形成了与电极长度相一致的一连串矩形轨道。同样的道理，如需提高注入功率、电极都通水冷却，进一步提高功率，可使气体介质循环流动并使用热交换器对气体介质进行冷却。图2中简单的激光谐振腔包括全反射镜（15）和激光输出镜（16），亦可采用较复杂的激光谐振腔。（三）管-平板成对电极约束放电激励、宏观直线（或摆线）轨道方法。图3所示的是管-平板成对电极约束放电激励、宏观直线（或摆线）轨道方法实施的具体结构布局断面剖视图。放电电极有两个形状相同的平板阴极（17、19）和两个形状相同的管状阳极（18、20），它们形成了两对电极的对称布局。电场方向（即图3中电力线方向）从两个阳极（18、20）指向两个阴极（17、19）并呈对称分布，靠近两个阴极（17、19）表面的U形电磁铁（u₁、u₂）（或永久磁铁）产生的磁力线由北极指向南极（即磁场方向），这样就形成了电场与磁场的正交或基本正交，并且电力线、磁力线又都与放电区的中心线方向（即垂直于图纸的方向）正交。这样的总体布局结果，使得在两个阴极（17、19）的放电表面附近形成了直线捕集阱，迫使投电过程中很大一部分电子在直线捕集阱内运动，宏观上就形成了沿放电区中心线方向的直线轨道（实际上电子运动的微观轨道是近似的摆线）。这种约束放电的电极布局，不仅有利于获得各类气体激光器、而且特别有利于获得冷阴极溅射-金属蒸气激光器，因为成对电极约束放电极大地消除了溅射导致的电极变形。如需提高功率。同样可对电极通水冷却和进行气体循环换热。（四）四平板电极交流约束放电激励、宏观圆形或直线轨道方法。图4所示的是四平板电极交流约束放电激励宏观圆形（或直线）轨道方法实施的具体结构布局断面剖视图。放电电极为四个完全相同的平板（21、22、23、24）成四次对称分布，其中电极（21）和电极（23）构成一个交流放电回路、电极（22）和电极（24）构成另一个交流回路，电极（21）和电极（22）的相位相同、电极（23）和电极（24）的相位也相同，紧靠着四个电极（21、22、23、24）的放电表面的另一侧、并排着一定数量的圆形极靴电磁铁（25）（类似于图1中所用的电磁铁）或者U形极靴电磁铁（类似于图3中所用的电磁铁）（注：本图4中的电磁铁亦可用永久磁铁代替）。这样的总体布局，使得在交流放电中必然是电极（21）和电极（22）的电压为正及电极（23）和电极（24）的电压为负与电极（21）和电极（22）的电压为负及电极（23）和电极（24）的电压为正交替放电，并在电压为负的电极表面对运动电子形成圆形或直线捕集阱、并形成宏观圆形或直线轨道。同样道理、为提高功率，电极可通水冷却，如需进一步提高注入功率，可进行气体循环和热交换。（五）空心电极约束放电激励、宏观摆线轨道方法。图5所示的是空心电极约束放电激励、摆线轨道方法实施的具体结构布局。放电电极是由多个中心开有圆孔或其它形状的孔的同一结构形状的阴极（26）和多个中心开有圆孔或其它形状的孔的同一结构形状的阳极（27）交替安放组成的，它们的孔中心对齐成为轴线。电场方向与轴线方向平行，在阴极孔的上下方分别安放极性相反的电磁铁（亦可为永久磁铁），于是磁场方向垂直于轴线，形成了电场与磁场的正交。这样的总体布局的结果使得放电过程中电子受到约束按近似摆线轨道运动。这种约束放电的电极布局除了有利于获得各类气体激光器外，特别有利于获得冷阴极溅射-金属蒸气激光器。提高这种激励方案的功率的原则与前面几种方案相同。（六）管-平板射频或高频约束放电激励方案。图6所示的是管-平板射频或高频约束放电激励方案实施的具体结构布局断面剖视图。放电电极为平板阴极（28）和管形阳极（29），紧靠着阴极上方有形成南北极的电磁铁（30）或永久磁铁，形成圆形、或矩形、或直线、或其它按需要设计的轨道。这种总体布局与前五种布局的显著区别在于电极表面采用绝缘材料涂层（如陶瓷涂层、玻璃涂层）覆盖以利于射频或高频放电。提高功率的原则与前述方案亦相同。（七）约束放电、电子束轰击联合激励方案。这一方案主要用于新的短波长激光器（如远紫外激光器、X射线激光器等等）的激励。图7所示的是其中一种管-平板约束放电、电子束轰击联合激励方案实施的具体结构布局断面剖视图。放电电极为两个相对的平板阴极（31、32）和一个管形阳极（33），紧靠着阴极投电表面的另一侧有电磁铁（34、35）或永久磁铁，在阴极的放电表面附近形成圆形、或矩形、或直线、或其它按需要设计的轨道。在低气压（10Pa～0.1Pa）条件下，这种约束放电会造成阴极的放电表面的粒子（指分子、原子、离子等）大量被溅射。在本图7中是阴极（31）上被溅射出来的粒子朝阴极（32）飞行、阴极（32）上被溅射出来的粒子朝阴极（31）飞行，于是在两个平板阴极（31、32）之间的空间就有大量的溅射粒子存在。与此同时，由带负高压的电子枪灯丝（36）发射的大量电子在加速极（37）的加速下朝簿箔（38）方向高速飞行并穿过簿箔（38）进入两阴极（31、32）之间的激光介质激活区，于是激活区的粒子的内层或次内层电子被高速电子打掉而被激励到上能态、由此产生激光增益。因为在此方案中，不仅放电参数（如气压、场强等等）可以控制，而且电子束的电子能量亦可控制，放电阴极的材料可方便地变更，所以激光的波长、激光器的种类都较容易变更。提高此方案激励的激光器的功率的原则与前述方案类似。

Claims

1、一种气体激光器的二极放电激励方法，其特征为将正交的、或基本正交的、或斜交的电磁场或电场作用于气体放电过程中产生的二次电子，使二次电子受到约束按设计轨道被限制在呈某种空间曲线的宏观途径上运行，以增加电子飞抵阳极的有效行程、与沿途粒子的碰撞次数，所述正交电磁场作用于二次电子使二次电子受到约束的是一种平板-平板约束放电激励方法，阴极(1)阳极(2)各呈平板，电场方向与电极的放电表面垂直，紧靠阴极上方并排一定数量的圆形极靴的电磁铁(4)，中心圆极靴为北极(或南极)，外部圆环形极靴为南极(或北极)，这样形成的众多磁力线由北极穿出电极阴极到达南极，磁场方向与电板放电表面平行或基本平行，二次电子运行途径为空间圆形曲线。

2、一种气体激光器的二极放电激励方法，其特征为将正交的、或基本正交的、或斜交的电磁场或电场作用于气体放电过程中产生的二次电子，使二次电子受到约束按设计轨道被限制在呈某种空间曲线的宏观途径上运行，以增加电子飞抵阳极的有效行程、与沿途粒子的碰撞次数，所述正交电磁场作用于二次电子使二次电子受到约束的是一种平板-平板约束放电激励方法，放电电极阴极（11）和阳极（12）各呈平面状，电场方向与电极的放电表面垂直，紧靠阴极上方并排着一定数量的矩形极靴的电磁铁（14），其中部矩形极靴为北极（或南极）、外部矩形环极靴为南极（或北极），二次电子运行途径为一连串的空间矩形轨道。

3、一种气体激光器的二极放电激励方法，其特征为将正交的、或基本正交的、或斜交的电磁场或电场作用于气体放电过程中产生的二次电子，使二次电子受到约束按设计轨道被限制在呈某种空间曲线的宏观途径上运行，以增加电子飞抵阳极的有效行程、与沿途粒子的碰撞次数，所述正交或基本正交电磁场作用于二次电子使二次电子受到约束的是一种管-平板成对电极约束放电激励方法，放电电极为两个形状相同的平板阴极（17）（19）和两个形状相同的管状阳极（18）（20），成两对电极的对称布局，紧靠两个阴极的上方表面设U形电磁铁以形成南北极，其磁力线穿过阴极由北极指向南极，电场与磁场构成正交或基本正交，二次电子运行途径宏观上为沿放电中心区中心线方向的空间直线轨道，电子运动的微观轨道为空间摆线。

4、一种气体激光器的二极放电激励方法，其特征为将正交的、或基本正交的、或斜交的电磁场或电场作用于气体放电过程中产生的二次电子，使二次电子受到约束按设计轨道被限制在呈某种空间曲线的宏观途径上运行，以增加电子飞抵阳极的有效行程、与沿途粒子的碰撞次数，所述正交电磁场作用于二次电子使二次电子受到约束的是一种四平板电极交流约束放电激励方法，放电电极为四个完全相同的平板（21、22、23、24）成四次对称分布，其中电极（21）和（23）构成一交流放电回路，（22）和（24）构成另一个交流放电回路，电极（21）和（22）相位相同，电极（23）和（24）相位相同，紧靠四个电极放电表面的另一侧并排安置一定数量的圆形极靴（25）或U形极靴电磁铁，在激励过程中使电场与磁场形成正交，二次电子运行途径成空间宏观圆形或直线轨道。

5、一种气体激光器的二极放电激励方法，其特征为将正交的、或基本正交的、或斜交的电磁场或电场作用于气体放电过程中产生的二次电子，使二次电子受到约束按设计轨道被限制在呈某种空间曲线的宏观途径上运行，以增加电子飞抵阳极的有效行程、与沿途粒子的碰撞次数，所述正交（或基本正交）电磁场作用于二次电子使二次电子受到约束的是一种空心电极约束放电激励方法，放电电极由多个中心开有圆孔或其他形状的相同结构形状的阴极（26）和多个中心开有圆孔或其他形状的孔的相同结构形状的阳极（27）交替安置组成，阴极阳极中心孔中心线重合形成轴线，在阴极孔上下方分别安置极性相反的电磁铁，电场方向与轴线平行，磁场方向与轴线垂直以形成正交，二次电子运动途径成空间宏观摆线轨道。

6、一种气体激光器的二极放电激励方法，其特征为将正交的、或基本正交的、或斜交的电磁场或电场作用于气体放电过程中产生的二次电子，使二次电子受到约束按设计轨道被限制在呈某种空间曲线的宏观途径上运行，以增加电子飞抵阳极的有效行程、与沿途粒子的碰撞次数，所述正交或基本正交或斜交电磁场作用于二次电子使二次电子受约束的是一种管-平板射频或高频约束放电激励方法，放电电极为平板阴极（28）和管状阳极（29），紧靠阴极上方有形成南北极的电磁铁，二次电子运动途径成空间宏观摆线轨道。

7、一种气体激光器的二极放电激励方法，其特征为将正交的、或基本正交的、或斜交的电磁场或电场作用于气体放电过程中产生的二次电子，使二次电子受到约束按设计轨道被限制在呈某种空间曲线的宏观途径上运行，以增加电子飞抵阳极的有效行程，与沿途粒子的碰撞次数，所述正交或基本正交或斜交电磁场作用于二次电子使二次电子受到约束的是一种约束放电，电子束轰击联合激励方法，放电电极为两个相对的平板阴极（31）、（32）和一个管形阳极（33）以形成电磁场，紧靠阴极放电表面的另一侧有电磁铁或永久磁铁，在阴极（31）、（32）的另一侧为电子束轰击装置，以保证由带负高压的电子枪灯丝（36）发射的大量电子在加速极（37）的加速下高速穿过簿箔（38）进入两阴极（31）、（32）之间的激光介质激活区，使激活区的粒子激励到上能态。