CN105337152A - 一种多管并联的射频激励玻璃管激光器 - Google Patents

Abstract

一种多管并联的射频激励玻璃管激光器，主要用于改善二氧化碳激光器的性能。这种方法的主要特点是多管并联射频激励的玻璃管激光器由两个或两个以上的射频放电管和光腔组成；射频放电管的冷却介质是油而不是水；所有光腔的光学元件都安装在刚性很好的光桥上，形成一个稳定性很好的光腔；而所有的射频放电管则通过弹性或柔性波纹管组件与光桥柔性连接。用这种方法制作的激光器不受放电管的影响，放电管的发热变形等状态与光腔无关，激光器的功率高、效率高、工作比较稳定。

Description

一种多管并联的射频激励玻璃管激光器

技术领域

本发明属于激光领域，主要用于改善二氧化碳激光器的性能。

背景技术

很多气体激光器都是由放电进行激励的，即由气体放电将原子或分子激发到上能态、然后由上能态跃迁到下能态而产生光子辐射。目前，这样的激励方式几乎占气体激光器的80%以上、其中利用管状放电的又占80%以上。这里的管状放电的基本放电单元就是本说明书中的放电管，放电管的材料一般是石英、玻璃等绝缘材料。例如：二氧化碳激光器、一氧化碳激光器、准分子激光器、氩离子激光器、氦氖激光器等等都采用了放电管。在这些激光器中，目前使用最多的是封离型二氧化碳激光器。封离型二氧化碳激光器是指一种玻璃管激光器（以下简称为激光管）。主要特征是在将激光管抽成真空后一次性将混合的激光工作气体通过原始的抽气和充气口充入激光管内，然后用高温融化的办法将原始抽气和充气口封闭起来，不再打开，直至激光管工作到报废。目前二氧化碳激光管市场需求大，激光管在中国的年需求量就超过了100000个，在全世界就超过了200000个，其功率水平一般为10-200W。目前，这些管状放电的激光的主要问题是放电不均匀，导致激光的稳定性差、光束质量差、效率低、功率低。主要原因有两条：1、放电管为轴向直流放电，目前广泛采用的开关电源本质上仍然是直流放电，直流放电的特征就是放电不均匀和放电直径收缩，不能充满放电管导致放电介质的增益不均匀；2、目前的放电管的材料为绝缘性能良好的石英管或玻璃管（为了简单通称为激光管），壁厚一般为2毫米或更大，用如此厚的放电管的原因是放电管外还必须有夹层通水冷却，除了新鲜的去离子水外一般有杂质的水是对地导通的，而激光管放电电压比较高，为10千伏至30千伏，如果壁厚薄就会导致放电管被击穿而损坏激光管，放电管的壁厚比较大就不利于热传导导致放电管内气体温度比较高使得效率低和功率低。目前，国际上的二氧化碳激光管的功率水平是50-100W/M，就是说一个1米长的激光管的功率是50-100W。如果要求功率很高，则用单根管的办法就不行了，例如要做一个500W的激光管，就要将激光管做到10M长。显然这么长的激光管在应用中非常不方便，极大地限制了激光管的应用。通用的办法是用双管或多管（指3根管及3根管以上）并联和激光谐振腔（以下简称光腔）串联的办法制造激光器，也有人将此类管称为折叠管。本发明中将单根管制作的激光器称为激光管，而将两根以上管组成的激光器称为激光器、将其中的单根管称为放电管。然而，这种多管并联激光器最明显的问题是激光管工作不稳定。如果一个120W的单根激光管能工作2000小时的话，用4根激光管并联和光腔串联获得的500W激光器的稳定工作时间甚至不能超过100小时。工作寿命短的问题如此突出的主要原因是：普通激光管的光腔是用胶粘或其它方法固定在玻璃放电管上的，玻璃放电管既有放电使气体激发的功能又有支撑光腔的功能，激光管工作时发热和其它原因产生变形导致光腔失调。一个不用并联的单根激光管只有一个输出耦合镜和一个全反射镜，它们直接固定（粘接或硬封）在玻璃管的两端，如果玻璃管在工作中不发生变形则激光就可以长期稳定输出，如果发生变形就影响激光输出，变形严重就没有激光输出。而多根管并联的激光器将增加全反射镜的数量，每多并联1根玻璃管就要将光路折返1次而增加1或2个全反射镜，光腔长度也随之增加了1根管的长度。例如用4根长度为2.5M的放电管并联和光腔串联获得的500W激光器的光腔长度是10M，全反射镜的数量多的有7个。这样长的光腔和这样多的镜片，如果按照上述直接固定在玻璃管两端的办法所获得的激光器的实际效果是玻璃管在工作中由于气体放电发热或其它原因而产生变形，这么多的镜片中有一个的位置变形严重或多个轻微变形的积累就会导致激光器不能工作。一般而言，激光器的镜片的入射线或反射线与光轴在理想状态下是重合的，具体激光器镜片的入射线或反射线与光轴总有一定的夹角偏离。一个长度为1M的激光管的夹角偏离不允许超过3秒（1秒为1度的3600分之1），再大就不能工作。一个10M的激光管的这种夹角偏离要求更苛刻，不允许偏离1秒，这意味着玻璃管的弯曲变形和镜片的偏转变形都必须控制在几微米以内。实际双管或多管并联的放电管中会发生立体空间的变形，满足这种变形量在微米数量级的苛刻要求是不可能的。因此，400W以上的激光器在实际应用中很少，远远不能满足实际生产的需要。

发明内容

针对目前直流放电的玻璃管激光器效率低、功率低、工作不稳定的缺点，本发明的目的是提供一种多管并联的射频激励玻璃管激光器（以下简称多管射频激光器）。这样的多管射频激光器具有效率高、功率高、工作稳定的特点。

为了实现上述目的，本发明技术上采用了如下三种措施：1、两根或两根以上的多管射频激光器的放电上采用了横向射频激励结构，为了使射频激励能够进行，在放电管的冷却夹层中通绝缘强度高的油而不是水，这种绝缘强度高的油有变压器油或电容器油等等很容易获得的油，油冷却不存在对射频放电有吸收损耗的问题；2、玻璃或石英制作的放电管的壁厚比较薄，壁厚在1.2毫米及以下，在强度许可的情况下为0.3毫米，即管壁厚为1.2-0.3mm中的任一值，壁厚越薄越有利于导热从而有利于提高激光功率；3、将串联的光腔（包括所有的组成光腔的光学元件）安装在一个稳定性很高的光桥上，光桥与玻璃或石英放电管柔性或弹性连接，这样光腔实际上与放电管脱离，光腔不受放电管变形的影响；因为光桥只是一个与其它部件基本脱离、不受其它部件影响的独立结构，所以只要光桥稳定光腔就稳定，激光器工作也因此稳定；这里所述的光桥是指一个刚性的支架，基本结构有多种，其核心是有两个光桥端板和3根或4根光桥支撑杆经螺母锁紧成为一个刚性的整体结构或直接焊接为一个刚性的整体结构；还可以是圆形管状结构、或者方型管状结构或其它结构；这些结构可以是螺纹紧固结构或直接焊接结构；组成光桥的材料可以是金属材料或非金属材料。

如果在这样的激光器上安装一个可以多次更换气体的阀门，实现激光器气体的多次再生，寿命可以延长至几万小时；或者在激光器中增加一个真空排气和充气系统，实现激光气体的多次更换，同样也能将激光器的寿命延长至几万小时。

本发明的优点是多管射频激光器放电均匀和冷却条件好、并且光腔稳定，导致激光的稳定性好、光束质量好、效率高、功率高。

附图说明

本发明需要多个附图，现逐一说明。图1是总体结构图，示意说明基本工作原理，因为本发明用四管并联的结构作为例子，所以就用四管并联的剖视图说明问题，剖面图中只能看到两个射频玻璃放电管。但这种结构很容易类推到更多根管并联的情况。图1中，（1）和（2）是两个射频放电管组件；（3）、（4）、（5）和（6）是4个带连接法兰的弹性波纹管组件（波纹管组件的放大图为图2，波纹管组件可以由其它弹性元件代替）；（7）和（8）是使光路转折90度的全反射镜（根据需要，转折的角度可以是按照设计者希望的任何值）；（9）是光腔的全反射镜；（10）是激光输出窗口；（11）是光桥组件；（12）是带密封元件的转折镜安装座（简称转折镜座）；（13）是带密封元件的反射镜和输出窗口的安装座（输出镜座）；（14）和（15）分别是两组将转折镜座和输出镜座固定在光桥上的螺钉。

图3是四管并联激光器右侧视剖面示意图，图3中射频放电管的布局是竖直的。如果为了节省空间，可以采用图4所示的45度对称布局。

上述光桥的基本结构有几种，本说明书叙述其中两种，图5和图6分别是两种光桥的示意图。在图5中，（16）和（17）是两个光桥端板，（18）、（19）、（20）和（21）4根光桥支撑杆（实心或空心都可以），（22）、（23）、（24）和（25）是4个锁紧螺母，也可以不用锁紧螺母而直接将两个光桥端板和4根光桥支撑杆焊接起来。图6和图5基本思想相同，不同的是图6中的光桥只采用了3根光桥支撑杆。不难看出，光桥可以采用其它结构，例如圆形管状结构、或者方型管状结构，可以是用螺钉紧固结构，也可以是焊接结构。

从图1中明显看出，本发明的激光管的所有的光腔元件是安装在光桥（11）上的，光腔与放电玻璃管是通过弹性元件进行柔性连接的，因此光腔调节好以后是独立于放电管的，不受放电管变形的影响。由于光桥是对称设计的，只要光桥的刚度足够好，就不会产生扭曲变形，因此光腔能长期稳定工作。

图7是射频放电管组件的详细图，图7中：（26）是射频放电管，其材料一般是石英或玻璃等绝缘材料；（27）是冷却套管；（28）和（29）是兼有储气和与放电管进行气体交换功能的玻璃管。图8是该射频放电管组件的俯视剖面示意图，图8中：（30）和（31）是冷却液体油的进口和出口。图9是放大的该激光管的右侧视剖面示意图，图9中：（32）和（33）是射频放电电极。需要说明的是，所有的管子都是细长的结构，为避免混淆在图7和图8中的玻璃管都没有划出剖面线。

具体实施方式

本发明的具体实施例子如下：将4根1800mm的射频玻璃管放电管按照本发明的方式并联，放电管直径15mm，抽真空后充入CO2∶N2∶He的混合比例为1∶3∶5的混合气体为工作物质，气体压力为4kPa，等效放电电压2-3kV，4根管的总等效电流2-3A，光腔由曲率半径为10000mm的镀金全反射镜、6个转折镜为平面全反射镜和输出透过率为70%的平面ZnSe镜组成，接通射频电源，在放电状态下将光腔调节到最佳状态，这样的激光管功率可以达到600W以上，激光光束模式为基模，寿命可以达到5000小时以上，如果能将放电中的气体分解有效抑制，寿命可以超过20000小时。

Claims (4)

1.一种多管并联的射频激励玻璃管激光器，其特征在于：两根或两根以上的多管射频激光器的放电上采用了横向射频激励结构，为了使射频激励能够进行，在放电管的冷却夹层中通绝缘强度高的油而不是水。

2.按照权利要求1所述的一种多管并联的射频激励玻璃管激光器，其特征在于：玻璃或石英制作的放电管的壁厚比较薄，壁厚在1.2毫米及以下，在强度许可的情况下为0.3毫米，即管壁厚为1.2-0.3mm中的任一值。

3.按照权利要求1所述的一种多管并联的射频激励玻璃管激光器，其特征在于：将串联的光腔安装在一个稳定性很高的光桥上，光桥与玻璃或石英放电管柔性或弹性连接，这样光腔实际上与放电管脱离，光腔不受放电管变形的影响；光桥的基本结构有多种，其核心是有两个光桥端板和3根或4根光桥支撑杆经螺母锁紧成为一个刚性的整体结构或直接焊接为一个刚性的整体结构；还可以是圆形管状结构、或者方型管状结构或其它结构；这些结构可以是螺纹紧固结构或直接焊接结构；组成光桥的材料可以是金属材料或非金属材料。

4.按照权利要求1所述的一种多管并联的射频激励玻璃管激光器，其特征在于：在这样的激光器上安装一个可以多次更换气体的阀门，实现激光器气体的多次再生，寿命可以延长至几万小时；或者在激光器中增加一个真空排气和充气系统，实现激光气体的多次更换，同样也能将激光器的寿命延长至几万小时。