CN105514768A - 一种悬臂支撑式一维板条波导气体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，该激光器包括设置在金属真空腔内的金属板条波导气体放电结构和光学谐振腔，板条波导气体放电结构包括平行设置的上电极和下电极，下电极固定设置在金属真空腔底面的衬托上；其改进之处在于，上电极和下电极为结构相同的截面分别为倒“山”和“山”字形的三个凸台高度相同的电极，其中间的为波导放电凸台，两侧的为基座，其间的凹陷部分为裙边；上电极和下电极对称设置，其基座之间竖直设置支撑件。和现有技术比，本发明提供的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，构造简约紧凑，提高了放电的均匀性、稳定性及输出激光功率的平稳度，零部件加工装配更容易，制造成本更低廉，便于批量生产。

Description

一种悬臂支撑式一维板条波导气体激光器

技术领域

本发明涉及一种板条波导气体激光器，具体讲涉及一种悬臂支撑式一维板条波导气体激光器。

背景技术

自上世纪60年代激光器问世以来，CO₂激光器一直扮演着重要角色，特别是用于气体放电的波导结合射频横向激励扩散冷却方式，催生了新一代大功率连续输出、高光束质量、高性价比的气体激光器---射频激励扩散冷却金属板条波导CO₂激光器。半个世纪以来，板条波导气体激光器件制造技术经历了全陶瓷、金属陶瓷夹心、全金属结构的演变过程，并由面增比、体增比、二维发展至一维，本发明人研究、观察、分析现有技术的基础上发现，这一现有技术仍存在如下缺陷：

一是一维波导的支撑结构复杂，零部件加工、装配不便，支撑材料价格较昂贵且用量大，不经济；

二是支撑方式不合理，若用悬吊(挂)支撑方式，很难保证大面积放电面之间的平行度，造成波导间距悬吊(挂)不均匀；若采用尺寸较大的绝缘材料作支撑侧壁垫支，这虽可简化装调，但由于支撑面积较大，无论电极板支撑部分的平面度还是垫支侧壁上下二支撑面之间的平行度都难以保证，这既使得垫支的波导间距不均匀，也影响放电的均匀性、稳定性和激光器件工作的可靠性。

再者对板条波导放电结构的“动态特性”的认知有待深入，从设计上讲，关注机械结构、静态电参数多，而对其与气体电离的阻抗动态变化特性的关联度考虑不足。因此尚无一种利用结构的静态集中电参数，来平缓气体放电或电离度变化产生阻抗动态变化的剧烈程度，减弱阻抗大幅波动对射频电源的不利影响，提高放电稳定性的技术方案。

此外，现有的板条波导放电结构，波导约束空间与真空腔体的完全自由空间之间要么直接相邻，要么经侧壁隔离，要么经一段“宽”波导直接过渡，这种结构缺乏更加有效的减轻气体放电等离子体热辐射，以致使真空腔体内储存的工作气体大幅升温，二端波导口的热辐射使谐振腔镜产生热型变等不利影响。

显然，需要提供一种改进的一维板条波导气体激光器来克服现有技术的不足，满足技术发展的需要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，构造简约、紧凑，可提高放电的均匀性、稳定性及输出激光功率的平稳度，使零部件加工、装配更容易，制造成本更低廉，便于批量生产。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供的一种悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，所述激光器包括设置在金属真空腔内的金属板条波导气体放电结构和光学谐振腔，所述板条波导气体放电结构包括平行设置的上电极和下电极，所述下电极固定设置在金属真空腔底面的衬托上；

其改进之处在于：所述上电极和下电极为结构相同的截面分别为倒“山”和“山”字形的三个凸台高度相同的电极，其中间的为波导放电凸台，两侧的为基座，其间的凹陷部分为裙边；所述上电极和下电极对称设置，其基座之间竖直设置支撑件。

其中，所述基座由间隔竖直设置的中空圆柱体构成。

其中，所述支撑件为与所述基座匹配的中空圆柱体绝缘件。

其中，所述裙边为单层或叠层结构。

其中，所述基座与绝缘件的内、外径分别为3～90mm和5～100mm；所述绝缘件的高度为0.1～6mm。

其中，所述波导放电凸台内设有与金属真空腔外部连接的真空隔离循环冷却水道。

其中，所述上电极设有与金属真空腔外部的射频电源连接的真空隔离射频馈入部件，所述下电极接地。

其中，所述波导放电凸台的顶面为波导放电面，所述波导放电面与基座的顶面位于同一水平平面。

其中，所述波导放电凸台高度为2～20mm；所述波导放电面宽度为1～600mm。

其中，所述上电极和下电极的基座之间设置的绝缘件的高度确定波导放电间距为0.1～6mm。

其中，所述上电极和下电极的基座之间设置的绝缘件构成支撑电容，并与所述上电极和下电极的波导放电面之间构成的波导电容并联形成静态电容C₀。

其中，所述板条波导气体放电结构沿电极两侧采用非对称阻抗匹配方式设置，其中一侧为放电结构的输入端，不设置匹配电感，另一侧为放电结构的传输终端，设置匹配电感；所述传输终端的阻抗相对输入端呈低阻；射频激励能量从输入端馈入，以传输线方式横向通过波导，到达传输终端，电离波导放电区域内的气体，实现二维功率匹配型的射频放电。

其中，所述输入端每一基座的两侧对称设置一对匹配电感，每对之间等距；所述上电极和下电极两端最外侧分别设置一个匹配电感，形成静态电感L₀，与所述静态电容C₀共同作用，使放电结构产生一个固有振荡频率f₀，其频率量级与激励射频相同，便于采用或者主振放大，或者自激振荡激励方式实现射频功率馈入。

其中，所述光学谐振腔包括分别设置在衬托上并位于板条波导气体放电结构两端波导口的前输出镜和后反射镜，所述金属真空腔的侧壁设有输出激光束的真空封隔窗口。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明提供的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，无论零部件加工还是装配都得到了极大简化，易于加工，结构紧凑、简约，无需复杂的安装调试，大幅度节省了制造成本，便于批量生产。

2、可以确保证波导放电面的最佳平行度和波导间距的精确度，提高了放电均匀性及稳定性，极大地提高了激光器件的可靠性。

3、本发明提供的技术方案中的波导的“一维”构造简约，“支撑点”式的悬臂式支撑彻底消除了气体放电区域即光谐振放大区域二侧边界一定范围内的障碍，彻底克服了二维波导模效应对输出激光强度空间分布调制的不利影响，提高了输出光束的质量；并且相对“条状”侧壁支撑的一维波导，相邻支撑基座之间留有较大间隙，有利于工作气体扩散交换。

4、本发明提供的技术方案中的波导放电空间不再直接突变到完全自由空间，而是经过一个由悬臂支撑形成的裙边区域过渡，除形成波导的一维性外，还可大幅减低等离子体热辐射升高完全自由空间区域储备工作气体温度的不利影响；波导两侧裙边过度区设置的支撑基座，进一步阻挡了热辐射，此效果比悬吊(挂)支撑的全开放裙边过渡区效果更佳。

5、此外，本发明提供的技术方案中的电极板两端的短裙边还能够有效降低等离子体热辐射对置于波导口处谐振腔镜的影响，有效减轻了金属镜片的热形变，提高了输出光束的质量。

6、本发明提供的技术方案中的支撑结构形成的“支撑”电容与放电波导形成的“波导”电容并联，能改善放电阻抗特性，减轻对电源的不利影响，使激光器件工作更可靠。

附图说明

图1是：本发明提供的板条波导气体放电构件的结构示意图；

图2是：本发明提供的设置匹配电感后的板条波导气体放电构件的正视图；

图3是：本发明提供的设置匹配电感后的板条波导气体放电构件的侧视图；

图4是：本发明提供的上电极和下电极的侧视截面图；

图5是：本发明提供的上电极的波导放电面等于裙边长度时的仰视图；

图6是：本发明提供的上电极的波导放电面大于裙边长度时的仰视图；

图7是：本发明提供的上电极的波导放电面小于裙边长度时的仰视图；

图8是：本发明提供的双波导放电结构的侧视图；

图9是：本发明提供的波导放电结构为圆环型时的上电极的仰视图；

图10是：本发明提供的波导放电结构为圆环型时的下电极的俯视图；

图11是：本发明提供的悬臂支撑式一维波导放电机构静态电参数分布示意图；

图12是：本发明提供的悬臂支撑式一维波导放电机构动态电参数分布示意图；

图13是：本发明提供的悬臂支撑式一维波导放电机构动态电参数分布等效示意图；

其中：1、上电极；2、下电极；3、衬托；4、支撑件；5、真空隔离射频馈入部件；6、匹配电感；6’、匹配电感；11、真空隔离循环冷却水道；12、波导放电面；13、基座；13’、基座；21、真空隔离循环冷却水道；22、波导放电面；23、基座；23’、基座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例以悬臂支撑式一维板条波导气体激光器为例对本发明的技术方案做具体详细说明，如图1至图3所示，本发明实施例提供的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器包括设置在金属真空腔内的金属板条波导气体放电结构和光学谐振腔，板条波导气体放电结构包括结构相同、平行设置的上电极1和下电极2，下电极2固定在衬托3上，衬托3固定设置在金属真空腔底面；上电极1经真空隔离射频馈入部件5与金属真空腔外部的射频电源连接，下电极2接地。光学谐振腔包括分别设置在衬托3上并位于板条波导气体放电结构两端波导口的前输出镜和后反射镜，金属真空腔设有输送激光束的真空封隔窗口。

如图4所示，一体化结构的上电极1横截面为倒“山”字形，上电极1内部设有真空隔离循环冷却水道11，做为上电极1的沿倒“山”字形的中轴线设置的凸台为波导放电凸台，此波导放电凸台和其余任一凸台之间的凹陷区为裙边，除波导放电凸台外的两个凸台分别为基座13和基座13’，波导放电凸台、基座13和基座13’在竖直方向上的高度相等，波导放电凸台顶面的波导放电面12与基座13和基座13’的顶面位于同一水平平面。下电极2横截面为正“山”字形，与上电极1对称设置，即除为正“山”字形外，其真空隔离循环冷却水道21、波导放电面22、基座23和基座23’均与上电极板1相同。

在上电极1和下电极2的基座之间竖直安装用于确定波导放电间距的绝缘支撑件4，以构造一维波导，位于所述波导放电凸台两侧的沿直线间隔竖直排列的基座在数量上可对称或非对称设置，或仅在波导放电凸台的一侧设置单个基座。

其中，基座与波导放电凸台的跨度间距不得小于1mm、其材质可为非金属材料，并且等距或者不等距直线排列；基座可分开加工后再与电极装配成型，但优选技术方案为电极的波导放电凸台、裙边、基座用超精密铣削整体一次加工完成，以确保波导放电面与基座顶面在同一水平面。

其中，波导放电凸台的高度为2～20mm，波导放电面的宽度为1～600mm；基座为轴心设有通孔的圆柱体，绝缘件为与基座相匹配的中空圆柱体；绝缘隔件与基座的外径相等并且为5～100mm，绝缘隔件与基座的内径相等并且为3～90mm，绝缘件的高度为0.1～6mm。上电极1与下电极2的波导放电面之间的平行度完全由绝缘件的上下两端端面的平行度确定，一经装配便无需调整。

图5至图7示出了波导放电面的长度和裙边的长度，两者相同或略有差异。当波导放电面的长度略短时，电极板的两端会增加两条短裙边，这种情况能够有效降低等离子体热辐射对置于波导口处谐振腔镜的影响，有效减轻金属镜片的热形变；裙边为单层或多层叠层的台阶状结构的裙边，优选对称等宽的单层裙边。

本实施例提供的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器的一维板条波导放电机构，具有以下特点：

1、构造一维波导的支撑方式为通过基座与绝缘件构成的“点支撑”式的悬臂支撑；

2、上电极和下电极的波导放电面与基座的支撑面平行等高，两者间不小于1mm的跨度的悬臂间距，波导的一维构造简约；

3、上电极和下电极的波导放电面与其基座的支撑面相对应设置，在基座支撑面之间设绝缘件，波导间距由绝缘件的高度确定，使放电间距构造简约；

4、电极板的波导放电面之间的平行度完全由绝缘件上下两端端面的平行度确定，将大面积波导放电面的平行设置，改为用小面积的绝缘件端面的平行度来保证，化难为易，无论加工或装配其难度都降低了许多；

5、波导约束放电区与真空腔体内的完全自由空间之间，设有裙边过渡区，过渡区的间距明显宽于波导放电间距，并有一定宽度，有利于减弱等离子体热辐射的影响；

6、裙边过渡区外侧没有完全开放，设有基座，能进一步阻挡热辐射。

从电参数角度来看，在上电极1和下电极2相对应的基座间设置的高度为0.1～6mm的绝缘件，会形成一定容量的“支撑”电容，尽管支撑面的总面积较波导放电面积小，但由于绝缘材料的介电常数大于工作气体的介电常数，故全部“支撑”电容的总量与0.1～6mm放电间距所形成的“波导”静态电容量可相比拟；其放电前的静态电参数分布，如图11所示，其中C₀为“波导”电容，L₀为匹配电感，C₁为基座数目少一侧的“支撑”电容、C₂为基座数目多一侧的“支撑”电容，均表现为集中参数，C₁+C₂比C₀数值小但可相比拟，此外由于裙边沿电极板长度方向设置，从电极的横向看其做为悬臂的传输等效电感可以忽略不计。

本实施例提供的放电结构采用射频激励，上电极1连接外部射频电源，下电极2连接衬托3并接地，放电机构支撑基座数目少的一侧设为射频输入端，数目多的一侧为传输终端，射频激励以二维功率匹配(区别于一维电压或电流匹配)方式，自输入端馈入，以传输线方式横向通过波导，到达传输终端，电离放电区域内的气体，实现产生激光增益的大面积均匀辉光放电。

为此，在波导两侧采取非对称阻抗匹配方式，设置匹配电感6。输入端不设匹配电感6，传输终端沿电极板长度方向在每个基座两边对称设置一对匹配电感6，也可在波导两端各增设一个匹配电感6’，其等效总电感量为L₀，通过设置不同数值的L₀，使本放电机构产生一个静态的固有振荡频率f₀，以方便采用功率匹配方式馈入射频能量。

放电机构在实现气体放电时，其动态电参数等效，如图12至图13所示，表现为一RLC并联谐振网络，其中Cx为气体电离时波导的等效电容、Rx为放电热效应的等效电阻、Lx等离子体的等效电感，均为动态参数；C₁₂为C₁+C₂的等效电容、L₀为匹配等效电感，均为静态参数；显然，设置了C₁₂、L₀，特别是C₁₂的存在，不仅可方便地设置放电结构的固有谐振频率f₀，还能够平移阻抗动态变化的数值区间，在一定程度上减缓阻抗动态变化的剧烈程度；特别是放电起辉的瞬间，气体由绝缘体变为导体C₀→Cx，变化量△C是很大的，当没有C₁₂时，△C引起的阻抗变化幅度大，导致驻波比大幅波动产生很大的反射，严重影响射频电源的正常工甚至烧毁电源；而且在气体电离过程中，也往往需要精细控制电离度来控制输出激光功率，Cx的波动△Cx也对电源工作不利，影响输入功率的稳定从而使激光输出功率不稳。但是设置了C₁₂，就能减小△C或△Cx的数值，缓冲起辉瞬间或改变电离度所引起的阻抗剧烈变化对射频电源冲击影响，提高射频馈入功率的稳定度，从而提高激光输出功率的稳定性。

进一步，除了上述支撑方式，还可以构造多层波导的放电结构，如图8所示，在一块电极的上下两面均设置波导放电凸台、波导放电面、裙边、基座，并做为中间电极，而另二块电极的一面相对应设置波导放电凸台、波导放电面、裙边、基座，三块电极连接即可构成双波导放电机构，依此类推，根据不同需要可设置两个或两个以上的多波导放电区。

再进一步，如图9至图10所示，也可将矩形波导转换为其它任何形式的波导放电结构，例如圆环型波导放电结构等等。

实施例1

2500W悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，电极的长1000mm、宽260mm，波导放电凸台的宽200mm，其两侧的裙边宽度分别为30mm，在其中一侧的裙边外侧输入端设置2个基座，并且不设匹配电感；另一侧的裙边外侧传输终端设置5个基座，每个基座两侧均设匹配电感，在电极的两端设匹配电感；绝缘件的高度1.6mm、外径26mm、内径12mm。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，所述激光器包括设置在金属真空腔内的金属板条波导气体放电结构和光学谐振腔，所述板条波导气体放电结构包括平行设置的上电极和下电极，所述下电极固定设置在金属真空腔底面的衬托上；

其特征在于：所述上电极和下电极为结构相同的截面分别为倒“山”和“山”字形的三个凸台高度相同的电极，其中间的为波导放电凸台，两侧的为基座，其间的凹陷部分为裙边；所述上电极和下电极对称设置，其基座之间竖直设置支撑件。

2.如权利要求1所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述基座由间隔竖直设置的中空圆柱体构成。

3.如权利要求2所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述支撑件为与所述基座匹配的中空圆柱体绝缘件。

4.如权利要求1所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述裙边为单层或叠层结构。

5.如权利要求3所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述基座与绝缘件的内、外径分别为3～90mm和5～100mm；所述绝缘件的高度为0.1～6mm。

6.如权利要求1所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述波导放电凸台内设有与金属真空腔外部连接的真空隔离循环冷却水道。

7.如权利要求1所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述上电极设有与金属真空腔外部的射频电源连接的真空隔离射频馈入部件，所述下电极接地。

8.如权利要求5所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述波导放电凸台的顶面为波导放电面，所述波导放电面与基座的顶面位于同一水平平面。

9.如权利要求8所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述波导放电凸台高度为2～20mm；所述波导放电面宽度为1～600mm。

10.如权利要求8所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述上电极和下电极的基座之间设置的绝缘件的高度确定波导放电间距为0.1～6mm。

11.如权利要求8所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述上电极和下电极的基座之间设置的绝缘件构成支撑电容，并与所述上电极和下电极的波导放电面之间构成的波导电容并联形成静态电容C₀。

12.如权利要求11所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述板条波导气体放电结构沿电极两侧采用非对称阻抗匹配方式设置，其中一侧为放电结构的输入端，不设置匹配电感，另一侧为放电结构的传输终端，设置匹配电感；所述传输终端的阻抗相对输入端呈低阻；射频激励能量从输入端馈入，以传输线方式横向通过波导，到达传输终端，电离波导放电区域内的气体，实现二维功率匹配型的射频放电。

13.如权利要求12所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述输入端每一基座的两侧对称设置一对匹配电感，每对之间等距；所述上电极和下电极两端最外侧分别设置一个匹配电感，形成静态电感L₀，与所述静态电容C₀共同作用，使放电结构产生一个固有振荡频率f₀，其频率量级与激励射频相同，便于采用或者主振放大，或者自激振荡激励方式实现射频功率馈入。

14.如权利要求13所述的悬臂支撑式一维板条波导气体激光器，其特征在于，所述光学谐振腔包括分别设置在衬托上并位于板条波导气体放电结构两端波导口的前输出镜和后反射镜，所述金属真空腔的侧壁设有输出激光束的真空封隔窗口。