CN1073752C - 射频激励快速轴流一氧化碳激光器 - Google Patents

Abstract

一种横向射频激励快速轴流CO激光系统，由激光谐振腔和气体循环系统构成，谐振腔包括放电管、中心部件，射频电极和端部件，端部件内设有相应的反射镜；气体循环系统包括涡流泵和气流通道，气流通道上设有热交换器。工作气体是由放电管间的中心部件流入，从两端部件流出，射频电极与放电管管壁间具有一倾角，放电管的端口采用卷边形式，设置在涡流泵与中心部件间的为二级热交换器，用以将气体温度降至足够低，以便系统功能得到发挥。

Description

射频激励快速轴流一氧化碳激光器

本发明属于气体激光装置，尤其是大功率一氧化碳(CO)激光器。

在1994年公开的名称为《激光振荡器》，专利号DE4331054的德国专利和1986年公开的名称为《CO₂激光装置》，专利号为昭63-148695的日本专利中均对交流及射频激励快速轴流CO₂激光器的结构及其特点进行了详细描述。在德国专利DE4331054中所公开的激光器是包括有放电管与放电管连通的气体循环系统、激光放电管的装置、分别设置在放电管两端的全反射镜和部分放射镜，这种装置用在温度需求不是很低的情况下，如CO₂激光器中是可行的，但是用在温度更低的情况下，如CO激光器中就存在一些缺陷，这些缺陷主要有：1．由于CO工作气体的激光能级结构完全不同于CO₂气体，因此这种结构不适合对CO产生最有效的激光振荡，特别是这类结构的冷却系统不能产生低的工作气体温度以达到高的电光转换效率；2．这种结构高速气流是从激光腔的两端沿轴向流入放电管，这给两端附近的密封和光学镜片带来很大麻烦，特别是气体温度在100-120°K时；3．没有考虑射频外电极的截面形状对射频放电横向均匀性及对激光束质量的影响；4．没有考虑射频外电极对轴流方向所夹倾角对射频放电纵向均匀性乃至于激光输出功率的影响。

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、转换频率高、输出功率大、光束质量好的横向射频激励快速轴流CO激光器。

针对已有技术存在的问题，本发明对激光系统加以改进以适用于CO激光器，本发明的激光系统包括激光谐振腔和与之相连通的气体循环系统，其中谐振腔包括放电管、设于放电管间的中心部件，设置在各放电管外并连接射频源以激励放电管的射频电极，及谐振腔的端部件，谐振腔的一端部件内设置与放电管一端相对的一全反射镜，放电管光输出端的端部件内设置一部分反射镜；气体循环系统包括气流泵和使其与谐振腔两端部件和放电管间的中心部件相连通和气流通道，在气流通道上设有热交换器。为解决已有技术在低温下转换效率低及密封等问题，本发明采用了与已有技术中气流方向不同的气体循环系统，即气流泵的气流输出通道经热交换器连接两放电管间的中心部件人口，这主要是防止低温CO气体从谐振腔两端进入放电区时给反射镜带来的雾化和两端难以密封的缺陷，谐振腔两端部为气流出口并分别经两交换器和气流通道连接气流泵的气体人口，利用该两热交换器对从谐振腔两端部件气流出口流出的在放电过程中升温的气体进行预冷却。由于沿放电管轴向放电气体具有较大的温度梯度，并引起气体密度沿轴向的变化，这在快速轴流放电中相应地诱导了放电阻抗沿轴向的改变。为了对此进行弥补，即要沿轴向逐渐降低射频电场的E/N值，即电场强度与粒子数浓度之比；同时在增加纵向输入功率密度时，要避免发生α放电(一种均匀稳定的低电流射频放电)向γ放电(一种不稳定的高电流射频放电)转换时产生的纵向不稳定放电，以获得最佳电光转换效率和最大输入功率密度，在射频电极和放电管管壁之间设置可以调节射频电极和放电管管壁之间倾角的绝缘调节架，射频电极是自靠近中心部件的一端向另一端延伸张开一倾角，该倾角应小于50毫弧度。为使高速气流通过时，阻力最小，同时在温度梯度很大时放电管不破裂，并防止管壁升温而影响密封。放电管的两端口均采用卷边形状，并设置密封圈。

采用本发明的结构使激光器能够很好的应用CO工作气体，因而能在较低的工作气体温度下工作，以达到高的电光转换效率，同时解决了气体激光器在低温高速工作气流状态下密封、镜片雾化损坏等问题，并可获得转换效率高、输出功率大、光束质量好的特性。

图1是本发明CO激光系统的基本结构示意图。

图2是本发明一个实施例的中间部件结构示意图。

图3是激光谐振腔中放电管与外置射频电极的横截面关系图。

图4为本发明的激光谐振腔端部件的结构示意图。

图5为二级液氮热交换器的结构示意图。

图6为采用两组放电管并列设置的折叠式线性激光谐振腔的结构示意图。

图7(a,b)为实施例中射频放电管横向截面的两个不同放电状态图。

图8是实施例中不同的电极和轴流纵向倾角时，激光器输出功率和总电光转换效率与射频输入功率的关系。

图9为不同的工作气压下，最大激光功率和相应的质流量与射频输入功率的关系。

下面结合附图1-9对本发明的结构特征和实施例做一详细介绍：

本发明实施例的激光器的基本结构如图1所示，它包括激光谐振腔和气体循环系统两部分，谐振腔包括放电管61，设置在放电管61间的中心部件60，设置在放电管外连接射频源的射频电极51和谐振腔的端部件62，在谐振腔的一个端部件62内设有一个曲率半径20米的5微米波长全反射镜632，曲率半径可为5～50米，在另一个端部件62内设有一个部分反射镜631，其为透光率为20～40％的平面镜，实施例中采用30％透光率平面镜。

激光谐振腔还可采用折叠腔结构，如图6所示，它包括两组并列设置的放电管61和射频电极51，在谐振腔一端部件内与一组放电管61端口相对设有一全反射镜632，与该端部件内另一组放电管61端口相对设有一部分反射镜631，在另一端部件内分别与两组放电管61的两端口相对设置两个45°折射镜633，以在形成激光回路时输出线偏振光。该结构包括四个放电区，故可输出更大的激光功率，同时由于激光谐振腔的加长而进一步改善了光束质量。为补偿横向残余放电非均匀性，四对放电电极相互旋转成45°角设置。

气体循环系统包括有一涡流泵65和使涡流泵65与谐振腔两端部件62和放电管61间的中心部件61相连通的气流通道64，在气流通道64上分别设置一个二级热交换器72和两个水冷热交换器71。为实现较高的电光转换效率和输出较高的功率，激光系统中应具有较高速的气流和相对较低的工作温度。因此在实施例中气流泵65采用1500米/小时的涡流泵，可在放电区人口，即中心部件60内产生200米/秒的工作气流。由于高速低温的工作气流会给激光系统带来不利影响，因此本发明采用了与已有技术中气流方向相反的工作气流流向，如图1中箭头所示，从结构上来讲就是将涡流泵65的气流输出通道经热交换器72连接谐振腔放电管61的中心部件60的人口，气流经与中心部件60相接的放电管61的端口流入，并经另一端口从两端部件62的出口流出，在放电管61中受射频电极51的激励下产生放电激发，谐振腔两端部件62气流出口分别经两热交换器71和气流通道64连接涡流泵65的气流入口，在射频电极51和放电管62管壁之间设置了可调节射频电极51和放电管61管壁之间倾角的绝缘调节架511，倾角应小于50毫弧度，在这里采用如图3c所示方式设置，倾角20毫弧度，且为了补偿因放电管61存在的或多或少的横向放电不均匀性而引起的光束质量下降，将两对射频电极51设置成相互90°垂直。射频电极51的截面形状可采用图3a所示的形状，其中R表示柱面射频电极51内表面的曲率半径，W表示电极的截面宽度，1表示射频源。由于射频放电的横向均匀特性与参量R和W密切相关，在一定的输入功率密度和工作气压条件下，若R与放电管61外径过于接近，而且W过窄的话，将难以得到均匀稳定的横向放电。为了提高α型放电向γ型放电转换时阈值电流密度，在实施例中我们采用的放电管61直径为17毫米R=20毫米，W=24.5毫米，它对应的电极51示意图如图3b所示。为实现电极形状，并确保加工后的电极内表面成为半径为R的准柱面，将其化解成一系列的阶梯状平面，步长为0.5毫米，如图3d所示。

中心部件60采用图2所示的结构，其在顶部设置一个流线上凹形正对流入气流的气流缓冲装置604，在该装置604与外防护套603的连结处钳入一个绝热套606以防止过冷而产生结霜。在高速气体人口处，中心部件60的保护套605也通过一个绝热圈606与气流循环通道相连。在放电管61与中心部件60接合的部位设有耐大温差的硅橡胶密封圈602。放电管61为图2中所示的卷边形。端部件62采用图4所示结构，高速气流经放电管61进入端部62，因放电激励而使气体温度升高(可达150℃以上)，为防止管壁升温而影响密封，放电管62端口采用卷边方式，并加耐高温硅橡胶密封圈602密封。高温高速气体进入端部62后给激光镜片63带来冲击，为防止热气冲击带来损害，在放电管出口处设置了一个气流阻限器621，它包括与气流方向一致的引导管623和环绕该引导管外图象与端部件62的内壁密闭相接的挡板622，该导管621具有一将气流引向循环通道64的斜切口。它可使气流减速，并促使气流转向，从而有效地保护了镜片63。

设置在中心部件60和涡流泵65间气流通道上的热交换器72为二级热交换器72，其结构如图5所示，它包括一个可不断充入液氮的绝热容器722，以放射形状钳入该容器的金属散热片721，作为主热交换器，其外设有将其封闭并与散热片721之间形成供气流流动空间的外壳725作为循环通道，外壳725上设有与中心部件放电管61间中心部件60相连通的气体出口，并设有两个分别与间接热交换器724气体出口相连通的气体人口，间接热交换器724的气体入口与涡流泵65的气流输出通道相连，绝热容器722的蒸发口经引导管723分别与间接热交换器724的散热片相通。主热交换器散热片721与外壳725是靠一个耐低温的硅橡胶圈602密封的。工作气流经散热片721(可接近液氮冷却剂的温度)时，与之进行热交换而得到充分地冷却。容器722中的液氮则由于吸热而汽化形成氮气，温度仍然较低的氮气用引导管导向两个间接热交换器724散热片，这样可由散热器片对流过间接热交换器724内气流通道的工作气流进行预冷却，预冷后的气体再经过主热交换器散热片721冷却，这可大大提高致冷效率，使工作气体达到工作温度110°K。

图7显示出实施例中射频放电管横向截面放电状态，实施例中放电管61为直径17毫米，长度300毫米，射频外电极51长度为225毫米，柱面曲率半径为20毫米，宽度为24毫米。图7a所示为在一定工作气压条件下(70托)，输入功率密度为20瓦/厘米3时形成的α型稳定放电，图7b为在工作气压不变情况下，当输入功率进一步增加时开始发生的射频放电由α型向γ型不稳定放电的转换，此时维持α放电的离子层开始遭到破坏，电流密度向中间集中，比边缘剩余的α型放电高出许多，这时的输入功率密度为25瓦/厘米3，放电均匀性开始丧失，而导致不稳定放电，激光振荡将不能维持。

图8给出了实施例中改变电极与放电管61管壁间倾角时，激光器输出功率和总电光转换效率与射频输入功率的关系。从图中可以明显地看出，当所夹倾角为20毫弧度时，激光输出功率和转换效率达到最佳值：输出功率为1.08千瓦，效率为28％，此时工作气体的温度为115°K，气体压力为105乇，压力比为CO∶N₂∶He=1∶1∶7，并掺入1％氧气。

图9给出了在不同的工作气压下，最大激光功率和相应的质流量与射频输入功率的关系，在实施例中，当质流量达到7.6克/秒时，激光输出功率为1.08千瓦。

Claims (9)

1．一种横向射频激励快速轴流CO激光器，它包括激光谐振腔和与之相连通的气体循环系统，其中谐振腔包括放电管、设于放电管间的中心部件、设置在各放电管外连接射频源的射频电极和谐振腔端部件，谐振腔的一端部件内设置有与放电管一端相对的一全反射镜，另一端部件内设有一部分反射镜；气体循环系统包括气流泵和使其与谐振腔两端部件和放电管间的中心部件相连通的气流通道，在气流通道上设有热交换器；气流泵采用涡流泵，涡流泵的气流出口通道经热交换器连接谐振腔两放电管间的中心部件入口，谐振腔两端部件气流出口分别经两热交换器和气流通道连接涡流泵的气流入口；在射频电极和放电管管壁之间设置一调节射频电极和放电管管壁之间倾角的绝缘调节架；与谐振腔两端部件和中心部件连接的放电管的两端口为卷边形状，其特征在于涡流泵输出通道与放电管间中心部件间的热交换器为二级热交换器，它包括主热交换器和间接热交换器，主交换器包括以放射形状嵌入一个可不断充入液氮的绝热容器的金属散热片，其外设有将其封闭并与散热片之间形成供气流流动空间的外壳作为循环通道，外壳上设有一与放电管间中心部件相连通的气体出口，并设有两个分别与间接热交换器气体出口相连通的气体入口，间接热交换器的气体入口与涡流泵气体输出通道连接，绝热容器的蒸发口经引导管分别与间接热交换器的散热片相通。

2．根据权利要求1所述的CO激光器，其特征在于谐振腔由两组并列设置的放电管组和射频电极构成，在谐振腔的一端部件内与一组放电管的该端口相对设有一全反射镜，与另一组放电管的该端口相对设有一部分反射镜，在另一端部件内分别与两组放电管的两端口相对设置两个45°折射镜。

3．根据权利要求1所述的CO激光器，其特征在于在谐振腔端部件内设有一气流阻限器，它包括一与气流方向一致的引导管和环绕该引导管外周缘与端部件内壁密闭相接的挡板，该导管具有一将气流引向循环通道的斜切口。

4．根据权利要求1或2所述的CO激光器，其特征在于谐振腔中心部件的顶部设置一个流线上凹形正对流入气流的气流缓冲装置。

5．根据权利要求1或2所述的CO激光器，其特征在于全反射镜为曲率半径5～50米的反射镜。

6．根据权利要求1或2所述的CO激光器，其特征在于部分反射镜为透光率为20～40％的平面镜。

7．根据权利要求1所述的CO激光器，其特征在于两放电管外置的两组射频电极互成90°角垂直设置。

8．根据权利要求3所述的CO激光器，其特征在于各放电管外置的四对射频电极互相旋转成45度角设置。

9．根据权利要求1或2所述的CO激光器，其特征在于工作气体为CO、N₂、He气体，其压力比为CO∶N₂∶He=1∶1∶7，并掺入1％的氧气。

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