CN103229369B - 射频激励型激光器组件 - Google Patents
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Abstract
一种射频（RF）激励型激光器组件，包括限定电极间间隙的一对对置的电极，以及与两个电极都电接触的导电的端接桥接件。所述端接桥接件机械地支撑电极并使各电极相对于彼此而定位，并且提供用于施加至各电极的射频电压的终端阻抗。一种圆锥形螺旋感应器包括一个或多个金属绕组，以及一个或多个同心的接线端子，使得所述圆锥形螺旋感应器限定足够的绕组间间距，以减缓绕组间的气体介质的点火。一种射频（RF）馈通组件，其被构造为将射频电压施加至一对对置的电极，使得通过离子层放电屏障来将导体从与围绕所述导体定位的金属套管进行隔离。
Description
相关申请的交叉参考
根据35U.S.C.119(e)(1)，本申请要求于2010年10月29日提交的申请序列号为61/408,197的在先美国临时申请的权益，其全文在此以参考的方式并入。
技术领域
说明书涉及激光器，且更特别地涉及全金属型气体激光器。
背景技术
传统的扩散冷却激光器以及具有环形放电、混合谐振器和分布电感的传统激光器，通常将绝缘材料用在“实时”电极和地线之间，而并不仅仅用在射频（RF）馈通中。这种激光器的示例包括从TRUMPF公司（位于康涅狄格州法明顿市）购得的激光器，其包括TruCoaxV3、V4和V5系列的激光器产品。
图1A（侧面在上，剖视图）示出包括一对同心电极1和2的射频激励型气体激光器组件，所述同心电极在它们之间形成放电间隙11，并且通过介电部件电绝缘且在两端处由介电部件机械地保持。光学谐振器用的面镜位于放电部的彼此面对的两端处。这些面镜为轴锥镜7和螺旋镜8，轴锥镜7在一端，其为后向反射器，螺旋镜8在另一端，其包括典型谐振器的单个基板中的前、后两个面镜。激光输出窗12位于螺旋镜托架之上。电极组件包括支撑块，谐振器面镜安装至所述支撑块的每一端。每个面镜都安装在托架上，所述托架用作所述组件每一端用的盖。
当外部电极1、内部电极2和各个盖组装在一起时，它们形成保持激光气体混合物的真空密封腔。内部电极2被金属桥接件3和陶瓷衬套5、6保持就位。所述陶瓷衬套使内部电极与外部电极电绝缘。在螺旋镜这一端的陶瓷衬套5成形为类似中空的圆筒，该圆筒连接着内部电极2和用于螺旋镜的托架。螺旋镜的基板及托架在中心处具有圆形开口，所述开口给出在大气压力下穿过中空的陶瓷衬套5到达内部电极2的通道。穿过这个孔，射频馈通组件9连接至内部电极2的暴露区域，以提供射频功率并用于内部电极用冷却流体2的供应和返回。螺旋镜端的陶瓷衬套5使内部电极2与接地的外部电极1保持绝缘。在轴锥镜7端，内部电极2通过可调节的端接感应器4电连接至地面。
当射频功率通过射频馈通组件9供应至内部电极2且在间隙11中产生放电时，所述电极结合所产生的放电是表现得像是用于射频功率的有损传输线。电压变化随着射频功率在有损传输线中传播而沿电极的长度发生。传输线由内部可调节的终端4终止于轴锥镜7端处。为进一步减少电压变化并获得均匀的放电，通过使用特别设计的组件，在真空外部的几个位置处并且沿着电极的长度，将所分布的感应器100连接在外部电极1和内部电极2之间。
图1B示出如第7,778,303号美国专利所示出和描述的这种激光器的盘绕组件的一个示例。如图1B所示，感应器组件100包括导电棒或馈通装置170，其延伸穿过外部电极110的真空密封的开口175并进入到电极间间隙115中。馈通装置170在一端处终止于挠性的导电触头187，该导电触头接触在真空内的内部电极105的外表面。感应器组件100还包括引线180，利用（例如）螺钉185可拆卸地将所述引线连接至馈通装置170。在引线180与外部电极110的外表面形成合适的电接触时，感应器组件100由引线180电连接至外部电极110。通过去除螺钉185和186，可以调整引线180相对于外部电极110的外表面的位置，并且因此可以将从馈通装置170到外部电极110的当前长度调整为符合由感应器组件100所产生的电感的值。因此，能够轻松地调节感应器组件100的电感，而无需打开真空密封或者去除馈通装置170。
发明内容
本发明的特征在于激光器组件包括射频馈通组件、一个或多个阻抗和/或一个或多个金属桥接件支撑件，所述射频馈通组件被构造为贯穿限定在第一电极中的端口，以便为对置的电极提供射频偏压，所述一个或多个阻抗被构造为置于由所述激光器组件限定的气室内，所述一个或多个金属桥接件支撑件分开所述电极并提供终端阻抗。
一方面，本发明提供一种射频（RF）激励型激光器组件，包括限定电极间间隙的一对对置的电极，以及与两个电极都电接触的导电的端接桥接件，其中所述端接桥接件机械地支撑电极并使各电极相对于彼此而定位，并且提供用于施加至各电极的射频电压的终端阻抗。
另一方面，本发明提供一种射频（RF）馈通组件，其被构造为将射频电压施加至限定电极间间隙的一对对置的电极，所述组件包括导体和金属套管，所述导体被构造为贯穿限定于第一电极中的端口并跨越所述电极间间隙，所述金属套管围绕所述导体而定位；其中所述金属套管被构造为电接合至第一电极，并且与所述导体间隔开以形成间隙，所述间隙具有足够的宽度，以便在导体和金属套管之间形成离子层放电屏障。在一些实施例中，所述导体包括水冷冷却端口。
又一方面，本发明所提供的为一种圆锥形螺旋感应器，包括一个或多个金属绕组，以及一个或多个同心的接线端子；其中所述圆锥形螺旋感应器限定足够的绕组间间距，以减缓绕组间的气体介质的点火。在一些实施例中，所述感应器可被构造为接合于同轴的各电极之间，并且朝电极中的至少一个传导在感应器中产生的热。此外，在一些示例中，所述一个或多个金属绕组可具有足够的横截面面积，以便朝接合至所述一个或多个同心的接线端子的流体冷却组件传导在绕组内产生的热。
再一方面，本发明的特征在于一种产生激光放电的方法。所述方法包括：提供限定电极间间隙的一对对置的电极；提供与两个电极都电接触的导电的端接桥接件，其中所述导电的端接桥接件机械地支撑电极并使各电极相对于彼此而定位，并且提供用于施加至电极的射频电压的终端阻抗；以及施加射频电压至电极，以便在电极间间隙内产生激光放电。在一些实施例中，所述电极可包括第一电极和第二电极，且所述方法还包括：提供包括导体和金属套管的射频馈通组件，所述导体贯穿限定在第一电极中的端口、贯穿金属套管，并且跨越在无放电区域内的电极间间隙，所述导体电接合至第二电极；以及在导体和金属套管之间形成离子层放电屏障，以电隔离所述导体和所述第一电极，从而使所述无放电区域能被气体介质触及到，但却定位在所述电极间间隙中气体介质不会被激励的位置处。
这些方面的实施例可包括以下特征中的一个或多个。例如，所述电极可为包括内部电极和外部电极的同心电极，并且其中各电极限定环形的电极间间隙。内部电极可包括与端接桥接件相邻的一个或多个同心翅片，并且其中所述一个或多个同心翅片每个均具有比内部电极在射频电压的频率下的趋肤深度的两倍大的厚度。端接桥接件可包括一个或多个互补的同心翅片，使得所述一个或多个同心翅片和所述一个或多个互补的同心翅片被布置成形成一间距，该间距在使用时能充满着介电气体，以形成电容器。端接桥接件可为平坦的、多螺旋形的桥接件或者平坦的、阿基米德螺旋形的桥接件。端接桥接件可为与电极之一一体形成的T形桥接件。端接桥接件可为第一端接桥接件，并且所述射频激励型激光器组件还包括在与第一端接桥接件相反的端部处的第二端接桥接件。第一端接桥接件可为平坦的、双螺旋形的桥接件，且第二端接桥接件可为与电极之一一体形成的T形桥接件。端接桥接件可以限定冷却流体供应路径和冷却流体返回路径。
在一些实施例中，射频激励型激光器组件还可包括全封闭的阻抗元件，所述阻抗元件跨越在由所述一对对置的电极所限定的无放电区域内的电极间间隙而延伸，其中所述无放电区域能被气体介质触及到，但却定位在所述电极间间隙中气体介质不会被激励的位置处。所述阻抗元件为圆锥形螺旋感应器。所述射频激励型激光器组件还可包括金属帽和金属夹具，所述金属帽和金属夹具被构造成将圆锥形感应器固定至激光器组件，其中金属帽、金属夹具和圆锥形感应器一起形成全金属的感应器组件。所述圆锥形螺旋感应器可限定足够的绕组间间距，以减缓绕组之间的气体介质的点火。所述阻抗元件可被构造为朝电极中的至少一个传导在阻抗元件中产生的热。所述射频激励型激光器组件还可包括具有导体的射频馈通组件，所述导体贯穿在所述一对对置的电极中的第一电极中限定的端口并跨越在由所述一对对置的电极所限定的无放电区域内的电极间间隙，其中所述无放电区域能被气体介质触及到，但却定位在所述电极间间隙中气体介质不会被激励的位置处，并且其中所述导体电接合至所述一对对置的电极中的第二电极并与所述第一电极电隔离。所述馈通组件还可包括围绕所述导体的金属套管，其中所述金属套管电接合至第一电极，并且与所述导体间隔开以形成间隙，所述间隙具有足够的宽度，以便在导体和金属套管之间形成离子层放电屏障。所述馈通组件还可包括陶瓷套管，所述陶瓷套管围绕所述导体以隔离所述导体与第一电极。所述导体可包括水冷冷却端口。
在一些实施例中，所述一对对置的电极可被构造为在电极间间隙中限定无放电区域，使得无放电区域是在电极间间隙内的、能被气体介质触及到的区域，而在该区域内气体介质不会被激励，所述射频激励型激光器组件还包括全封闭的阻抗元件，所述阻抗元件跨越无放电区域内的电极间间隙而延伸，使得阻抗元件电接合至两个电极。所述阻抗元件可为圆锥形螺旋感应器。所述射频激励型激光器组件还可包括金属帽和金属夹具，所述金属帽和金属夹具被构造成将所述圆锥形感应器固定至激光器组件，金属帽、金属夹具和圆锥形感应器一起形成全金属的感应器组件。所述圆锥形螺旋感应器可限定足够的绕组间间距，以减缓绕组之间的气体介质的点火。所述阻抗可被构造为朝电极中的至少一个传导在阻抗中产生的热。
在一些实施例中，所述一对对置的电极可包括第一电极和第二电极，使得所述电极被构造为在电极间间隙中限定无放电区域，使得无放电区域为在电极间间隙内的、能被气体介质触及到的区域，而在该区域内气体介质不会被激励，所述射频激励型激光器组件还包括：具有导体的射频馈通组件，所述导体贯穿限定在第一电极中的端口，并跨越在无放电区域内的电极间间隙，所述导体电接合至第二电极并与第一电极电隔离。所述馈通组件还可包括围绕所述导体的金属套管，使得所述金属套管电接合至第一电极，并且与所述导体间隔开以形成间隙，所述间隙具有足够的宽度，以便在导体和金属套管之间形成离子层放电屏障。所述馈通组件还可包括陶瓷套管，所述陶瓷套管围绕所述导体以隔离所述导体与第一电极。所述导体可包括水冷冷却端口。
可以实施本发明中所描述的主题的特定实施例，来实现以下优势中的一个或多个。各实施例能够在相对的一对电极之间具有更均匀的放电特性。利用一个或多个端接桥接件和/或提供在气室内使用介电材料（如下文所披露）的替代方案，能够提高激光器组件的可靠性、减少其部件数量和/或降低其总体成本。使用两个端接桥接件（如下文所披露）能进一步提高激光器组件的刚度，并且在某些情况下，能够简化激光器的组装和拆卸，而同时维持电极间间隙。
除非另外限定，本文中所使用的技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常所理解的相同的意思。虽然在本发明的实践或者试验中可以使用与本文中所描述的相似或等同的方法和材料，但是下面描述了合适的方法和材料。此处以参考的方式加入所提到的全部文献、专利申请、专利及其他参考书目的全部内容。在产生矛盾的情况下，将参照本说明书，包括定义。另外，所述材料、方法和示例仅是说明性的，而并不意图限制。
通过以下的详细说明和权利要求，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1A为射频激励型激光器的侧面剖视图；
图1B为外部可调电感的侧面剖视图；
图2-4为射频激励型激光器的侧面剖视图。
图5为包括螺旋端接桥接件的射频激励型激光器的端视图；
图6A和6B为端接桥接件的两个附加示例的图示；
图7-9为T形端接桥接件示例的侧面剖视图；
图10A-10F为具有互补的翅片结构的T形端接桥接件和内部电极的剖视图、透视图和侧视图；
图11和12为射频馈通组件的侧面剖视图；
图13和图14为呈感应器形式的内部阻抗元件的侧面剖视图；
图15A为圆锥形螺旋感应器的侧向透视图；
图15B为圆锥形螺旋感应器的顶部透视图；
图16为呈电容器形式的外部阻抗元件的侧面剖视图；
在不同附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
图2-16例示出激光器组件和子组件的各实施例，其包括以下特征中的一个或多个：（1）射频（RF）馈通组件，被构造为贯穿第一电极中的端口，以便向对置的电极提供射频偏压，（2）一个或多个阻抗，被构造为放置在由激光器组件限定的气室内，以及（3）一个或多个金属桥接件支撑件，其分开各电极并提供终端阻抗。这些元件可以结合，以提供全金属型气体激光器，并且在自己使用或者用在这些特征对的各种结合中时还提供显著的优点。
参考图2，示出射频激励型激光器组件200，包括限定出电极间间隙215的一对对置的电极205、210，该电极间间隙215提供用于激励气体介质的放电体积，以激光器进行电充能（electricallypump）。在本实施例中，激光器200具有环形的几何形状，并且包括两个同心的电极。电极205为外部圆筒形电极205，且电极210为内部圆筒形电极210，该内部圆筒形电极210沿外部电极205的内部开口同轴地延伸，以限定环形的电极间间隙215。
可通过使用水冷系统来冷却电极205、210中的一个或多个（例如，外部电极205）来对激光器200进行扩散性冷却。例如，内部电极可具有诸如图2-4和7-10A所示的中空的圆筒形状，或者可具有实心的圆筒形状。在一些实施例中，内部电极包括通道和中空的芯部，所述通道在电极的内表面内形成，以提供用于冷却水的路径。激光器200可以利用向内部电极210和外部电极205提供功率的射频（RF）激励源来工作。激光器200的光学谐振器由前面镜（轴锥镜）220、后面镜（螺旋镜）225和两个电极205、210形成。因此，对激光气体的激励在电极之间的放电体积（或者射频场）中发生。螺旋镜225安装在螺旋镜架235上，且轴锥镜220安装在轴锥镜架245上。激光出射窗265位于螺旋镜架235上。谐振器的设计产生线性偏振波束。
在一个特定实施例中，激光器200是二氧化碳（CO2）气体激光器，其为基于包含二氧化碳（CO2）、氦（He）、氮（N2）和可能一些氢（H2）、水蒸气和/或氙（Xe）的气体介质的激光器。利用射频源230来工作的CO2气体激光器200能够发射大约9到11μm之间、特别是大约10.59μm的波长。纵向延伸的电极205、210可具有大约1.3m的纵向长度和几百毫米数量级的直径，并且可以在例如大约70-90毫巴的压力下限定出大约6mm的电极间间隙215。所述间隙215的尺寸与所述源的频率和所述间隙215内的压力有关；因此，如果需要特定大小的间隙215，那么可以调节所述源的频率和所述间隙215内的压力。例如，如果间隙的尺寸减小，那么频率和间隙压力增大。
电极205、210在两端由导电的端接桥接件240、250所支撑，而无需使用介电材料。所述桥接件240和250机械地支撑各电极并且使各电极相对于彼此定位。此外，所述桥接件240和250成形为能获得所需的终端阻抗，从而改善电压沿各电极的分布。在一些实施例中，内部电极210在轴锥镜端260处构造有翅片（例如，如图8所示的翅片811），以提供更长的射频路径，并且产生内部电极210和接地的外部电极205之间的在轴锥镜端处的更大电压降。翅片可构造为具有在激励频率下的趋肤深度的两倍的厚度，并且优选地，是激励频率下的趋肤深度的很多倍，以确保射频功率信号传播预期的路径长度。
一般而言，每个桥接件的阻抗在内部电极210的相应端处提供到接地的外部电极205处的电压降，以便于气体放电的点火和/或维持均匀的气体放电。将每个桥接件被形成为具有所需的阻抗，能消除在桥接件和内部电极之间对陶瓷衬套的需求，藉此提供更具弹性且不那么复杂的子组件。通过在特定激光器组件中更换至少一个支撑组件，可以得到类似的益处。例如，图3和4例示出射频激励型激光器组件300、400的侧面剖视图，每个激光器组件均类似于图1A的激光器100。在这些实施例中，激光器300和400包括导电的端接桥接件340、440，所述导电的端接桥接件为内部电极310、410提供机械支撑，以及在轴锥镜端处提供内部电极310、410与外部电极305、405之间的终端阻抗。以此方式，所述桥接件340和440电接合且机械接合至内部电极310、410和外部电极305、405，而无需使用陶瓷衬套（例如，图1A的陶瓷衬套6）。例如，所述桥接件340和440可以如图5-10F所示的方式实施。
再次参考图2，利用两个导电的端接桥接件来提供到内部电极210的机械支撑，使得能够在不影响内部电极210和外部电极205之间的间距和对齐排列的情况下，移除螺旋镜架235和轴锥镜架245。这在组装过程和/或在调节或者更换面镜时特别有用。
图5-10F例示出导电的端接桥接件的各种实施例，包括平坦螺旋形的桥接件500、600，平坦锯齿形的桥接件650和T形桥接件700、800、900。图5为激光器组件的端视图，且例示出电极间间隙515和形状如双螺旋线或阿基米德螺旋线的端接桥接件500。通过每个螺旋分支部510的匝数、结构的厚度以及形成于外部电极、内部电极和桥接件之间的空隙（例如，图2中的空隙255）的横截面，来对端接桥接件500的阻抗进行调谐。螺旋面镜与端接桥接件之间的距离也影响所述阻抗值，并且可用作微调。但是，如果该距离保持固定，可以改变其他参数以保持同样的光学谐振器（即，通过维持螺旋面镜和轴锥镜面镜之间的距离）。
也可以使用费尔马螺旋线或对数螺旋线来实现所需的阻抗和机械支撑。还可以使用其他形式来实现所需量的机械稳定性/刚性、强度和/或阻抗。例如，图6A和6B例示出具有不同形式的平坦的端接桥接件的两个附加的实施例。端接桥接件600为包括两个螺旋分支部610的另一种双螺旋的端接桥接件，相比图5中提供的实施例，该螺旋分支部610形成数量增加的绕组。图6B例示出具有平行的锯齿分支部的端接桥接件650。如同如图5所示的端接桥接件，分支部610、660沿着外部环615、665的周边在径向上相反的位置620/625、670/675处终止。分支部610、660与外部环615、665之间的间距构造为对光学谐振器无干扰或者干扰很小（即，在组装时，形成于分支部610、660和外部环615、665之间的空隙的宽度大于形成于内部电极和外部电极之间的电极间间隙）。假如通过其它方式提供机械稳定性，其他实施例可以包括单个螺旋分支部。例如，分布式金属阻抗（诸如本文所公开的内部圆锥形螺旋感应器）可用来支撑内部电极并维持电极间间隙。
通过分支部610、660的几何形状、厚度和电阻率，以及形成于外部电极、内部电极与桥接件之间的空隙的横截面，可对图6A和6B中提供的端接桥接件的整体阻抗进行调谐。如关于图5所描述，螺旋面镜和端接桥接件之间的距离也影响阻抗值，并且可用作微调。
图7-10A为各种T形端接桥接件的示例的剖视图。这种T形端接桥接件可附接至中间电极，或者与内部电极一体地形成（例如，焊接或模制），以形成连续的组件/元件。例如，图7示出端接桥接件700焊接至内部电极710的端帽716。终端阻抗由结构的厚度、以及形成于外部电极705、内部电极710和所述桥接件700之间的空隙755的横截面所确定。可选地，在焊接或附接至内部电极710之前，端帽716可与所述桥接件700一起形成或者与所述桥接件700附接。
图8例示出T形桥接件800，其（例如）与具有多个同心翅片811的内部电极810一体地形成。端接桥接件800包括焊接至内部电极810的内部电极触头816。内部电极触头816可形成为内部电极810的端帽（如图10C关于内部电极1010所示那样）、内部电极810的一部分或者如本文所述端接桥接件的一部分。内部电极触头816、支撑柱817和横撑杆818可以模制、焊接和/或用螺栓固定在一起，以形成端接桥接件800。如上述，每个翅片优选地具有一厚度，该厚度大于内部电极在射频电势的频率下的趋肤深度的两倍，所述射频电势的频率跨越内部和外部电极而施加。一些实施例可包括更少数量或更多数量的翅片，以实现所需的阻抗。
图9例示出包括互补的同心翅片912的T形桥接件900，所述互补的同心翅片912被布置为与设置在内部电极910上（例如，在端帽916上）的翅片911和作为电介质被引入到翅片之间的空间中的激光气体介质进行结合而形成电容结构913。以此方式，可以在内部电极910和外部电极905之间实现电容性端接。
图10A-10F例示出T形端接桥接件1000的截面图、侧视图和透视图，包括由内部电极的翅片1011和桥接件的翅片1012形成的电容结构。端接桥接件1000还包括内部通道1041、1042，所述内部通道用于内部电极用冷却流体的供应和返回。可选地，内部通道1041和1042可被包含在其他实施例中，包括（例如）在图7-9中例示的那些。在T形桥接件的各实施例中的内部通道1041和1042，提供一种替代方案，以替代将激光器的螺旋镜端处的射频馈通装置用于内部电极用冷却流体的供应和返回（如图1、3和4所示）。图10C提供包括翅片1011的内部电极1010端视图。图10C还示出由桥接件1000的通道1041、1042提供的内部电极的冷却流体的供应和返回路径。图10D-10E提供端接桥接件1000的正视图和透视图，所述端接桥接件包括在径向对置的电极支撑延伸部1021、1022和外支撑环1023。外支撑环1023机械地接合至外部电极，以提供接地的回路路径。图10F本文所述的端接桥接件1000和翅片1011、1012的侧面剖视图。
在一些实施例中，通过馈通导体（其穿过在外部电极中限定的开口或端口而连接至内部电极），将射频功率供应至内部电极。例如，图2例示出布置成与激光器200的轴锥镜端260靠近的射频馈通组件270。图11和12详细地例示出射频馈通组件的两个示例。在这些示例中，在放电和激光作用被抑制的区域（即，无放电区域1114、1214），将射频功率直接注入到放电间隙1115、1215。通过改变电极间间隙1115的尺寸而形成无放电区域1114、1214。图11和12例示的各示例中，在无放电区域1114、1214内和/或靠近无放电区域1114、1214处，外部电极1105、1205的内表面和内部电极1110、1210的外表面（即，各电极1105/1110、1205/1210的相邻表面）之间的距离足够大，以防止或抑制在无放电区域1114、1214内、在外部电极1105、1205和内部电极1110、1210之间的等离子体放电（因此，等离子体在无放电区域1114、1214内无法点燃）。
另一方面，在无放电区域1114、1124之外，各电极1105/1110、1205/1210的相邻表面之间的距离足够小，以促进在放电体积（在无放电区域1114、1124外的体积）内、在外部电极1105、1205和内部电极1110、1210之间的等离子体放电。换言之，电极1105/1110、1205/1210之间在无放电区域1114、1124内的间隙1115、1215大于电极1105/1110、1205/1210之间在放电体积内的间隙1115、1215，从而防止在无放电区域1114、1214内发生放电。限定无放电区域1114、1214，以避免馈通导体的过热和靠近导体产生电弧。
通过对拉普拉斯差分方程进行数值求解，计算出射频馈通区域中、在放电点火点处的电场分布。计算诸如介电盘直径和内部电极孔口面（spotface）等尺寸，以避免可能导致电弧形成的高的局部电场强度。过渡到无放电区域（孔口面）的放电间隙的开口具有回旋曲线的形状，在此，曲率半径在放电间隙从无穷小不断增大到某一有限的曲率。
图11的射频馈通组件包括馈通导体1119，所述馈通导体通过氧化铝陶瓷绝缘体1124和绝缘夹具1125而与外部电极1110绝缘，并且通过螺钉1122连接至内部电极1110。绝缘体1124覆盖馈通导体1119，直至在进入放电间隙区域1115之前大约2mm处，藉此抑制在馈通导体1119与由外部电极1110限定的端口的壁之间的放电，所述外部电极通过夹具组件1126连接至接地回路。如图11所示，用于射频馈通导体1119的端口通过夹持O型圈1123密封，以获得真空。射频馈通导体1119包括可选的供应和返回冷却端口1127，所述端口1127由导体的内壁限定。
在一些实施例中，其它绝缘体材料可用在馈通组件中代替氧化铝，但是所有这种材料应满足以下标准：优选比氧化铝低的介电常数，耐热性（在约700摄氏度的温度下，机械性能稳定且化学性能稳定），并且不漏气。具有低于氧化铝的介电常数的材料，能较佳地最小化在馈通装置和外部电极处的端口的壁之间进行放电的风险。
在一些实施例中，馈通组件无需使用介电材料来将馈通导体与接地的外部电极进行绝缘。图12提供这种实施例的示例。诸如图12所示的实施例，利用离子层的厚度来隔离馈通导体1219与接地的外部电极1210，所述离子层在金属表面的边界处的气体中形成。
馈通导体1219与外部电极端口的接地的壁之间的间隔应该小于离子层。在一些构造中，针对27.12MHz的激励频率，离子层为400μm数量级。在图12的示例中，馈通导体1219由螺钉1222连接至内部电极1210，并且由接地的金属套管1232所覆盖，所述金属套管与馈通导体间隔开，以便在馈通导体1219和金属套管1232之间形成可相比较于离子层厚度的间隙。金属套管1232通过压缩的O型圈1223居中于馈通导体1219，所述O型圈还用作它们之间的真空密封。另一O型圈1224用于在金属套管1232和由外部电极1210限定的端口之间密封。O型圈1223、1224由接地回路夹具1233和绝缘夹具1234所压缩。射频馈通导体1219包括可选的供应和返回冷却端口1227，所述供应和返回冷却端口由导体的内壁限定。
放电建立时，放电中的功率密度通常随着传输线中的电压变化而沿着电极改变。但是，保持沿间隙的放电均匀通常是可取的。在一些实施例中，通过使用以上就图2-10F所描述的端接桥接件中的一个或多个，可以改善放电的均匀性。在一些实施例中，通过使用以上结合沿电极间间隙215的长度分布的一个或多个阻抗所描述的一个或多个端接桥接件，可以实现均匀的放电。再次参考图2，中心阻抗280和由端接桥接件240和250提供的分布阻抗，有助于维持沿间隙215的均匀的放电。在图2的示例中，中心阻抗280呈可外部调节的感应器的形式。图1B例示出如第7778303号美国专利中披露的可外部调节的感应器组件100的示例。
在激光器200的螺旋镜端和轴锥镜端之间提供可外部调节的阻抗，允许在满射频输入功率下具有最大值与最小值之比小于1.5倍的放电分布。在一些实施例中，达到所需放电性能需要的阻抗特性，例如可以经验性地确定、或者通过计算或通过模拟来确定，并且用来提供定位在气室内的一个或多个固定的阻抗元件。图13例示出包括感应器1305的固定感应器组件1300的示例，所述感应器成形为完全容纳在气室内部的圆锥形螺旋体。例如，圆锥形螺旋体的延伸程度被选定为减缓在绕组间的空间内的气体介质的点火。
在一些示例中，感应器1302由具有高导电性和高导热性的金属制成。优选地，绕组的横截面应该足够厚，以便朝至少一个电极传导产生于感应器中的热。感应器1302可跨越放电间隙1315、通过螺钉1329连接至内部电极1310，并且通过用金属夹具1330将它向下压而连接至接地的外部电极1305。可安装视看口1331来监控放电特性。替代性地，金属帽可用来代替视看口1331，从而金属帽、金属夹具1330和感应器1302形成全金属的感应器组件。
图14例示出固定感应器组件1400的另一实施例，其包括成形为圆锥形螺旋体的感应器1402。感应器1402可以跨越放电间隙1415而由螺钉1429连接至内部电极1410，并通过用金属夹具/金属帽1430将它向下压而连接至接地的外部电极1405。使用金属夹具/金属帽1430代替视看口（图13中所示），能提供全金属的感应器组件。
图15A和15B分别提供根据上述的圆锥形螺旋感应器1502的侧向透视图和顶视图。感应器1502被构造为完全容纳在气室内部。圆锥形螺旋体的延伸程度被选定为防止在绕组间的空间内的气体介质的电离。感应器1502由具有高导电性和高导热性的金属制成，并且绕组的横截面应该足够厚，以便朝一个或多个电极来传导所产生的热，所述电极优选扩散地冷却。感应器1502被构造为跨越放电间隙而通过螺钉连接至内部电极，并且通过用夹具将它向下压而连接至接地的外部电极。同样，感应器的尺寸通常被选定为匹配于由外部电极限定的端口并提供所需的阻抗，该阻抗可通过模拟或经验性地确定。
图16例示出包括电容器1604的外部阻抗组件1600的一个示例，所述电容器作为馈通组件1604的一部分电连接在外部电极1605和馈通导体1617之间。在一些实施例中，一个或多个电容组件定位在气室内。可以用各种形状和尺寸来形成电容结构，例如叉指形结构、互补的同心环形板（如以上关于端接桥接件1000所述那样），以及平坦的电极结构。各实施例可包括导电棒，所述导电棒以小于离子层厚度的距离而延伸通过电极间间隙，以使导电棒与内部电极隔离，所述离子层在金属表面的边界处的气体中形成。替代性的实施例可包括电容结构，所述电容结构利用电介质（诸如氧化铝陶瓷绝缘体、或满足上面所规定的标准的其它绝缘体材料）来使射频馈通组件中的馈通导体1119绝缘。就图1B、13和14而言，本文提供出有关馈通组件1604的更多细节和替代性实施例。
一般而言，激光器的输入和输出功率可以变化。本文所披露的激光器能够以10kW至50kW的射频输入功率工作，来产生1kW至5kW的激光输出。在一些实施例中，激光器组件被构造为通过适当地缩放激光器组件的尺寸而在其它功率水平下操作。
本文所披露的激光器组件的各种实施例在两个电极之间不使用绝缘体材料。例如，包含如本文所述的端接桥接件的各实施例，相反地提供刚性的导电组件。虽然外部电极和内部电极之间的双端接会表现得像低频域中的短路连接，但是本文所描述的端接桥接件实际上提供用于施加至电极的射频电势的终端阻抗。上述的内部阻抗，与轴锥镜端和螺旋镜端的端接桥接件相结合，使得能够提供一种全金属的同轴激光器组件。
在操作中，激光放电的产生通过以下方式来实现：提供一对对置的电极，所述一对对置的电极限定出电极间间隙；提供导电的端接桥接件，所述端接桥接件与两个电极都电接触，从而使导电的端接桥接件机械地支撑各电极并使各电极相对于彼此定位，并且提供用于施加至电极的射频电势的终端阻抗；以及，施加射频电势至电极，以便在电极间间隙内产生激光放电。在一些实施例中，所述各电极可包括第一电极和第二电极，并且使得各电极被构造成在电极间间隙中限定无放电区域，并且使得所述无放电区域为在电极间间隙内能被气体介质触及到的区域，而在该区域内气体介质不会被激励。在这种实施例中，激光放电通过进一步提供包括导体和金属套管的射频馈通组件而产生，所述导体贯穿被限定在第一电极中的端口，贯穿金属套管，继而跨越无放电区域内的电极间间隙，其中所述导体电接合至第二电极，并且在导体和金属套管之间形成离子层放电屏障，以使导体与第一电极电绝缘。
应当理解的是，虽然结合详细说明对本发明进行了描述，但前述说明意图例示而非限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的范围所限定。其他的方面、优点和修改均在以下权利要求的范围之内。
Claims (12)
1.一种射频(RF)激励型激光器组件(200)，包括：
一对对置的电极(205，210)，其限定了电极间间隙(215)；以及
多个导电的端接桥接件(240，250)，其与两个电极都电接触，
其中，导电的端接桥接件机械地支撑着各电极，并使各电极相对于彼此而定位，并且提供用于施加至各电极的射频电压(230)的终端阻抗，其中所述一对对置的电极(205、210)在其两端由导电的端接桥接件(240、250)所支撑；
所述一对对置的电极为包括内部电极(210)和外部电极(205)的同心电极；其中内部电极包括与端接桥接件(1000)相邻的一个或多个同心翅片，并且所述一个或多个同心翅片每个均具有一厚度，该厚度大于内部电极在射频电压(230)的频率下的趋肤深度的两倍。
2.如权利要求1所述的激光器组件，其中，各电极限定环形的电极间间隙(215)。
3.如权利要求2所述的激光器组件，其中，端接桥接件(1000)包括一个或多个互补的同心翅片(1012)，并且其中，所述一个或多个同心翅片和所述一个或多个互补的同心翅片被布置成形成一间距，所述间距在使用时被充填有介电气体，以形成电容器。
4.如权利要求1或2所述的激光器组件，其中，端接桥接件(250，340)为平坦的、多螺旋形的桥接件。
5.如权利要求1所述的激光器组件，其中，端接桥接件为平坦的、阿基米德螺旋形的桥接件(500)。
6.如权利要求1所述的激光器组件，其中，端接桥接件为与各电极(210，205)之一一体形成的T形桥接件(240)。
7.如权利要求1所述的激光器组件，其中，端接桥接件为第一端接桥接件(250)，并且所述射频激励型激光器组件还包括在第一端接桥接件的相反端处的第二端接桥接件(240)。
8.如权利要求7所述的激光器组件，其中，第一端接桥接件为平坦的、双螺旋形的桥接件(250)，且第二端接桥接件为与各电极(210，205)之一一体形成的T形桥接件(240)。
9.如权利要求1所述的激光器组件，其中，端接桥接件(240)限定了冷却流体供应路径和冷却流体返回路径(1041，1042)。
10.如权利要求1所述的激光器组件，其中，所述射频激励型激光器组件还包括全封闭的阻抗元件(1302，1402)，所述阻抗元件跨越在由所述一对对置的电极所限定的无放电区域内的电极间间隙而延伸，其中所述无放电区域能被气体介质触及到，但却定位在所述电极间间隙中气体介质不会被激励的位置处。
11.如权利要求10所述的激光器组件，其中，所述阻抗元件被构造为朝各电极中的至少一个来传导在阻抗元件中产生的热。
12.一种产生激光放电的方法，所述方法包括：
提供一对对置的电极(205，210)，其限定电极间间隙(215)；
提供与两个电极都电接触的多个导电的端接桥接件(140，150)，其中所述多个导电的端接桥接件机械地支撑电极并使各电极相对于彼此而定位，并且提供用于施加至电极的射频电压(230)的终端阻抗，其中所述一对对置的电极(205、210)在其两端由导电的端接桥接件(240、250)所支撑；以及
施加射频电压(230)至电极，以便在电极间间隙(215)内产生激光放电；
所述一对对置的电极被形成为是包括内部电极(210)和外部电极(205)的同心电极；其中内部电极包括与端接桥接件(1000)相邻的一个或多个同心翅片，并且所述一个或多个同心翅片每个均具有一厚度，该厚度大于内部电极在射频电压(230)的频率下的趋肤深度的两倍。
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