CN1099146C - 板条型波导气体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种后反馈折叠谐振腔板条波导气体激光器，由一个射频输入板条状中间电极和两个接地的板条状电极构成一对矩形的放电空间，在中间板条状电极和两个接地的板条状电极间施加一个射频场，形成两个板条状增益区，与一个后反馈折叠谐振腔相匹配，同时采用一个45°角凹柱面高反射率镜和一个45°角平面高反射率镜实现谐振腔折叠处低损耗的板条波导间模耦合，构成一个紧凑型的高功率气体激光器。

Description

板条型波导气体激光器

本发明涉及波导气体激光器，特别是关于一种后反馈折叠谐振腔双板条型波导气体激光器。

在现有技术中，由V.1.Myshen Kov和N.A.Yatsenko在1981年10月第11(10)期《量子电子学》上发表的“在激光器中采用高频电容放电的展望”(Sov.J.Quantum Electron.11(10).Oct.1981.“Prospects for using high-frequency capacitative discharges in lasers”)中，以及在美国专利US 4169251“高频横向放电激励波导气体激光器”(“Waveguide Gas Laser With HighFrequency Tansverse Discharge Excitation”)中，公开了高频放电激发板条型波导气体激光器的技术，这种激光器通过由一对金属板条状电极构成一个矩形的空间，在所述两电极间施加以射频电场，产生射频气体放电，形成一个矩形增益区，由于两电极间距较小，可利用扩散冷却的方式冷却气体放电区，与偏轴的虚共焦非稳腔相结合，实现一种单边端激光输出的紧凑型的扩散型冷却的气体激光器。这类激光器的结构如图10所示，其中各标号表示：1.真空腔，3.接地板条下电极，5.真空瓷绝缘条，7.矩形放电空间，8.射频输入电极杆，9.射频输入电极杆真空绝缘瓷套，10.射频匹配网络，11.射频源，20.射频输入板条上电极，21.真空瓷绝缘支撑杆，W.矩形放电空间宽度，X.矩形放电空间高度。实验研究发现：由于射频波是米波，且一对金属板条状电极构成一段传输线，特别是当气体放电时，这样一对金属板条状电极形成一段高损耗大漏电流的传输线，在两电极间形成沿纵向非均匀分布的放电等离子体，为获得有效的激光增益长度，使得电极长度受到限制，使得激光功率的进一步提高而同时保持激光器件的紧凑型受到限制。

此外在目前现有的技术中，如O.L.Bourae和P.E.Dyer在《光学通讯》第31卷，第2期，1979年11月所发表的“一种新型的用于稀有气体卤化物激光器光束控制的稳定-非稳定谐振腔”(《Optics Communications》Volume31，number 2，“A Novel Stable-Unstable Resonator for Beam control of Rare-gas Halide Lasers”)一文中，以及美国专利4719639“二氧化碳板条激光器”(“Carbon Dioxide Slab Laser”)中所公开的激光谐振腔，采用的是传统的偏轴的侧边光束输出的虚共焦非稳腔。在这种虚共焦非稳腔中，输出的激光束是无反馈放大的光束几何尺寸不断放大的传输光，反向传输的光束几何尺寸不断缩小的激光束没有有效地贡献给激光功率。

为克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种新型结构的后反馈折叠谐振腔双板条波导气体激光器。

本发明的主要目的是提供一种折叠谐振腔双板条波导气体激光器，使得激光器结构更为紧凑。

本发明的又一个目的是在激光器谐振腔拆叠处采用凹柱面反射镜与平面反射镜相配合，实现低损耗的板条波导间模耦合，以提供一种高功率紧凑型的折叠谐振腔双板条波导气体激光器。

本发明的另一个目的是提供一种后反馈折叠谐振腔双板条波导气体激光器，以进一步提高激光器的输出功率。

本发明的再一个目的是通过在双板条激光器的中心电极和每个接地电极间分别跨接不等值的多个电感，以提供一种沿电极长度方向射频放电均匀的折叠谐振腔双板条波导气体激光器。

为达到上述各个目的和效果，本发明提供的折叠谐振腔双板条波导激光器有如下几种构成：

一种板条型波导气体激光器，包括：一真空腔，腔内设置有如下部件：一水冷却的射频输入板条状中间电极；第一和第二两个水冷却的接地板条状电极，分设在所述中间电极两侧；四个真空瓷条分设在所述中间电极和第一、第二两接地电极的两端，以在该中间电极和两接地电极之间构成一对矩形放电空间；一个与所述中间电极相连的电极杆，该电极杆通过所述真空腔侧壁上的一绝缘孔与外接射频电源相连；一凸面高反射率镜，设置在所述第一接地电极和中间电极所构成的放电空间的外侧，其反射面朝向放电空间；一凹面高反射率镜设置在所述第二接地电极和中间电极所构成的放电空间的外侧，并与所述凸面高反射率镜位于所述三电极的同侧，其反射面朝向放电空间；两个高反射率镜作为光路折叠镜分别设在所述第一、第二接地电极和中间电极所构成的放电空间的另一外侧，其反射面分别朝向两放电空间，构成U形折叠耦合光路；所述凸面高反射率镜、凹面高反射率镜和两个折叠高反射率镜构成一偏轴虚共焦激光非稳腔。

在上述激光器结构中，两个所述折叠高反射率折叠镜之一可以是一凹柱面反射镜，另一为平面反射镜，所述凸面高反射率镜为凸球面(或凸柱面)反射镜，所述凹面高反射率镜为凹球面(或凹柱面)反射镜。

在上述两种激光器结构中，在所述凹面高反射率镜的反向输出光束处，可设置一垂直于该光束的平面高反射率镜，其反射面朝向该输出光束，作为反馈反射镜。

在上述各种激光器结构中，沿电极长度方向，还可在所述中间电极和两个接地电极间两边分别交替跨接多个高电感值和低电感值电感，电感的数量N_f由下式确定：N_f＝4×(L_d/D_f+1)，其中，Lz为增益长度，Lz是电极长度Ld的两倍；D_f为相邻两电感间的间距，取50mm-100mm，电感值的大小由下式确定：

L_f＝1/(N_f×C_f×ω_f ²) (1)

Lc＝Kc×L_f               (2)

Lx＝Kx×L_f               (3)

L_f＝Lc+Lx                (4)

Kc＝0.55-0.65             (5)

Kx＝0.45-0.35             (6)式中：ω_f是射频气体放电频率，D_f是相邻两电感间的间距，C_f是射频气体放电矩形波导空间的电容，L_f为每个电感的名义电感值，Lc为每个高电感的实际电感值，Lx为每个低电感的实际电感值。

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

附图简要说明：

图1.本发明激光器横截面示意图。

图2.本发明优选实施例的激光器谐振腔与电极结构相对位置示意图。

图3.本发明优选实施例的激光器谐振腔与电极结构相对位置侧视示意图。

图4.本发明优选实施例的激光器谐振腔与电极结构相对位置顶视示意图。

图5.本发明激光器后反馈折叠谐振腔的工作原理图。

图6.本发明激光器板条波导虚共焦非稳腔激光器原理示意图。

图7.本发明激光器电感连接结构示意图。

图8.本发明激光器电感连接结构侧视示意图。

图9A、9B、9C.本发明激光器其他实施例的结构示意图。

图10.现有板条波导气体激光器示意图。

本发明后反馈折叠谐振腔双板条波导气体激光器的最佳实施例如图1、2、3、4所示，在真空腔1内由一个射频输入水冷却的板条状中间电极4和两个接地的水冷却的板条状电极2、3以及四个真空瓷条5构成一对矩形的放电空间6、7。该矩形的放电空间高度H为1mm-6mm(板条状中间电极4和一个接地的板条状电极2、3的极间距)，宽度W为10mm-100mm，长度Ld为200mm-600mm(板条状电极长度)。由于板条状中间电极4和接地的板条状电极2、3的极间距较小(H为1mm-6mm)，因而可形成有效的扩散型冷却。一个电极杆8通过一个在真空腔壁上的真空绝缘瓷套9与中心板条电极4相联，一射频频率为20MHz-150MHz的射频电源11通过一匹配网络10经由电极杆8在中间板条状电极4和两个接地的板条状电极2、3间施加一个射频场，在气压为4Kpa-20Kpa四元混合气体中(该四元混合气体为：CO₂，N₂，He和Xe，其混合比为CO₂∶N₂∶He∶Xe＝19％∶19％∶57％∶5％)产生气体放电，在一对矩形的放电空间6、7形成两个板条状增益区。

该两个板条状增益区与一个后反馈折叠谐振腔相匹配，该后反馈偏轴虚共焦激光非稳腔由一个凸球面(或凸柱面)高反射率镜12，一个凹球面(或凹柱面)高反射率镜13，一个平面高反射率镜14，一个45°角的凹柱面(或平面)高反射率镜15和一个45°角的平面高反射率镜16构成。平面高反射率镜14作为反馈反射镜放置在凹球面(或凹柱面)高反射率镜13的反向输出光束处(见图2，3和4)，其反射面朝着反向输出光束18，并垂直于折叠光束的光轴CD(见图3中的C和D)。图3中的标号和符号表示：17.折叠耦合光束，18.反向输出光束，19.正向输出光束，Ld.矩形放电空间长度(即电极长度)，A.折叠光轴与凸球面高反射率镜的交截点，B.折叠光轴与45°角凹柱面高反射率镜的交截点，C.折叠光轴与45°角平面高反射率镜的交截点，D.折叠光轴与凹球面高反射率镜的交截点，E.矩形放电上空间波导口，F.矩形放电下空间波导口。

图4中的符号表示：ΔD₀正向输出光束宽度，ΔD_n反向输出光束宽度。

图6所示板条波导虚共焦非稳腔激光器原理示意图中标号和符号表示：22.凸球面高反射率镜，23.凹球面高反射率镜，ΔDs₀.激光输出光束宽度，Fs_D.凹球面高反射率镜焦距长度，Fs_d凸球面高反射率镜焦距长度，Le板条状电极长度，Ls虚共焦非稳腔腔长。

由于所述波导激光器的矩形的放电空间宽度方向的尺寸较大，当沿电极长度方向所定义的菲涅尔数较大时，其宽度方向的波导效应可忽略不计。该菲涅尔数定义为：N_d＝W²/(8×Ld×λ)，其中λ为所考虑的激光波长。在本发明中，所限定的W和Ld参数，使得所定义的菲涅尔数N_d远大于1，因而沿电极长度方向传播的放电空间宽度方向的激光模式为自由空间模式。

在本发明所采用的后反馈折叠谐振腔中，一个45°角的凹柱面高反射率镜15和一个45°角的平面高反射率镜16作为折叠镜，45°角的凹柱面高反射率镜15对于沿电极长度方向传播的放电空间宽度W方向的激光模式起着平面高反射率镜的作用，而对于沿电极长度方向传播的放电空间高度H方向的激光模式起会聚光束波导间模耦合的作用。因而对于沿电极长度方向传播的放电空间宽度W方向的激光模式，本发明所采用的后反馈折叠谐振腔的工作原理可如图5所示。

后反馈离轴虚共焦激光非稳腔反向和正向输出光束尺寸大小的理论设计如下：见图5，其中ΔD₀.正向输出光束宽度，ΔD_n.反向输出光束宽度，F_D凹球面高反射率镜焦距长度，F_d凸球面高反射率镜焦距长度，L后反馈折叠谐振腔腔长L＝AB+BC+CD。

根据几何光学原理从图5中可得：

L＝F_D-F_d                                   (1) $\frac{D}{d}=\frac{F_D}{F_d}-----\left(2\right)$ $\frac{D_1}{d_1}=\frac{F_D}{F_d}$ $\frac{D_2}{d_2}=\frac{F_D}{F_d}$

…      … $\frac{D_n}{d_n}=\frac{F_D}{F_d}----\left(3\right)$ 因为  D_n＝d_n-1             (n＞0，n为正整数)    (4)所以 $\frac{d_{n-1}}{d_n}=\frac{F_D}{F_d}$ $d_n=\frac{F_d}{F_D}{d}_{n-1}$ (n＞0，n为正整数) $D_n=\frac{F_d}{F_D}{D}_{n-1}$ (n＞0，n为正整数)                               (5) $D_n=D_0{\left(\frac{F_d}{F_D}\right)}^n$ (n＝0，1，2，……)                              (6)

D＝D₀因为

d＝d₀＝D₁所以  ΔD₀＝ΔD＝D-d＝D₀-d₀＝D₀-D₁              (7)因为 $\mathrm{\Δ}{D}_n=D_n-D_{n+1}=D_n(1-\frac{F_d}{F_D})-----\left(8\right)$ 所以 $\mathrm{\Δ}{D}_0=D_0-d_0=D_0(1-\frac{F_d}{F_D})-----\left(9\right)$ 将方程(6)和(9)代入方程(8)中，得： $\mathrm{\Δ}{D}_n=\mathrm{\Δ}{D}_0{\left(\frac{F_d}{F_D}\right)}^n------\left(10\right)$

在实际设计中，根据方程(1)和(2)及激光器输出损耗率(d/D)计算激光谐确定反向输出光束的尺寸大小，根据实验数据，一般反向输出光束的尺寸大小选择为0-3mm。由于光束在激光增益边缘的光衍射效应引入一定的损耗，为了尽可能减小衍射损耗及综合考虑到反射镜的成本：

凸面高反射镜12的尺寸大小设计为：

沿板条状增益宽度方向为：d(mm)+δ_d

                        δ_d＝10～20mm

沿板条状增益高度方向为：增益高度H(mm)+δ_h

                        δ_h＝10～20mm

凹面高反射镜13的尺寸大小设计为：

沿板条状增益宽度方向为：D(mm)+δ_D

                       δ_D＝10～20mm

沿板条状增益高度方向为：增益高度H(mm)+δ_h

                       δ_h＝10～20mm

平面高反射镜14的尺寸大小设计为：

沿板条状增益宽度方向为：Dn(mm)+δ_n

                       δ_n＝10～30mm

沿板条状增益高度方向为：增益高度H(mm)+δ_h

                       δ_h＝10～30mm

板条状激光增益长度Z为：

                       Z＝L-δ_L

                      δ_L＝20～70mm

对于沿电极长度方向传播的放电空间高度H方向的激光模式，45°角的凹柱面高反射率镜15起会聚光束波导间模耦合的作用。其工作原理如下：由于本发明采用一个射频输入板条状中间电极4和两个接地的板条状电极2、3构成一对矩形的放电空间6、7，放电空间6、7电极间距较小(1mm-6mm)。其菲涅尔数定为：N_d＝H²/(8×Ld×λ)，其中λ为所考虑的激光波长。在本发明中，所限定的H和Ld参数，使得所定义的菲涅尔数N远小于1，因而对于沿电极长度方向传播的放电空间高度H方向的激光模式为波导基模。根据波导谐振腔理论，波导基模腰束位于波导口处，波导基模光束半径为ω₀＝0.65×H/3，波导基模光束的传播特性可用高斯基模的传播特性来描述。在现有的波导谐振腔理论中，将波导口看为光束腰束，采用平面镜，共中，光路折叠成U形，需要两个反射镜，根据现有的波导耦合理论，可采用两个平面镜，也可采用两个曲面反射镜形成共焦耦合，或两个曲面反射镜形成共心耦合，以实现低损耗耦合。但是，当采用两个平面镜时，由于两个板条波导口相距较远，产生的耦合损耗较大；当采用两个曲面反射镜时，由于在两个曲面反射镜间会产生一个聚焦点，易造成真空中气体击穿和镜片损伤，此外为了减小波导耦合损耗，波导谐振腔镜片一般距波导口较近，因而在两个曲面反射镜形成共焦耦合，或两个曲面反射镜形成共心耦合情况下，曲面反射镜的曲率半径较小，对光束造成的象差变形较大，增加了波导耦合损耗。所以本发明的最佳实施例是采用由一个平面反射镜和一个曲面反射镜构成的非对称U形光路折叠耦合系统实现低损耗波导间模耦合。在设计45°角的凹柱面高反射率镜15的曲率半径时，可根据高斯基模的传播方程计算使得通过45°角的凹柱面高反射率镜的正向和反向光束经聚焦后，其光束半径均介于0.95ω₀和1.05ω₀之间，使得板条波导间模耦合损耗可忽略不计。另外，由于本发明的最佳实施例采用由一个平面反射镜和一个曲面反射镜构成的非对称U形光路折叠耦合系统，所用曲面反射镜的曲率半径较大，因而对光束造成的象差变形较小，可减小波导耦合损耗。

另外，由于本发明的折叠谐振腔双板条波导激光器的放电结构原理上是一段高漏电流的射频传输线，为了获得沿电极长度方向上的射频均匀放电等离子体密度分布，本发明的最佳实施例沿电极长度方向上，在中心电极4和接地电极2、3间跨接电感值周期变化的电感，所需电感的数量由射频气体放电所形成的长度来确定。在本发明中，射频气体放电所形成的增益长度Lz是电极长度Ld的两倍，相邻两电感间的间距D_f为50mm-100mm。电感数量由公式N_f＝4×(L_d/D_f+1)来确定，每个电感的电感值由射频气体放电矩形波导空间的电容来确定。其确定公式如下：

L_f＝1/(N_f×C_f×ω_f ²)        (11)

Lc＝Kc×L_f                      (12)

Lx＝Kx×L_f                      (13)

L_f＝Lc+Lx                       (14)

Kc＝0.55-0.65                    (15)

Kx＝0.45-0.35                    (16)式中：ω_f是射频气体放电频率，D_f是相邻两电感间的间距，C_f是射频气体放式中：ω_f是射频气体放电频率，D_f是相邻两电感间的间距，C_f是射频气体放电矩形波导空间的电容，L_f为每个电感的名义电感值，Lc为每个高电感的实际电感值，Lx为每个低电感的实际电感值。每个电感的名义电感值为每个高电感的实际电感值和每个低电感的实际电感值的平均值。

根据方程(11)-(16)及其电感数量的选择原则，沿电极长度方向上，在中间电极4和每个接地电极2、3间两边分别跨接6个高电感值电感24和4个低电感值电感25，共跨接12个高电感值电感24和8个低电感值电感25(见图7、8所示)。每个电感值的大小由方程(11)-(16)来确定。

上面结合附图1至4所描述的是本发明的最佳实施例。根据本发明的技术方案，本发明的具体实施例并不限于附图1至4所表示的一种结构，本发明激光器的结构还可有以下几种形式：

折叠谐振腔两端的反射镜12和13，可以是一凸球面或凸柱面高反射率镜12和一凹球面或凹柱面高反射率镜13。

折叠反射镜15和16，可以是两个平面反射镜(如图9A、9C)，也可以是两个共焦耦合或共心耦合的曲面反射镜，还可以是一平面反射镜和一曲面反射镜(如图9B)。

在本发明的波导激光器中，也可以不采用反馈平面反射镜14(如图9B、9C)。此时反向输出光束宽度ΔDn＝0。

在本发明的波导激光器中，在中间电极4与两侧的接地电极2、3之间，也可以连接多个等值电感，还可以不连接电感。

本发明的气体波导激光器，不仅仅限于含CO₂的四元混合气体，也适用于其他气体激光器介质。

本发明的波导激光器结构，也可改变而用作折叠腔双板条波导气体激光光放大器。

Claims (4)

1.一种板条型波导气体激光器，其特征在于，包括：

一真空腔，腔内设置有如下部件：

一水冷却的射频输入板条状中间电极，

第一和第二两个水冷却的接地板条状电极，分设在所述中间电极两侧，

四个真空瓷条分设在所述中间电极和第一、第二两接地电极的两端，以在该中间电极和两接地电极之间构成一对矩形放电空间，

一个与所述中间电极相连的电极杆，该电极杆通过所述真空腔侧壁上的一绝缘孔与外接射频电源相连，

一凸面高反射率镜设置在所述第一接地电极和中间电极所构成的放电空间的外侧，其反射面朝向放电空间，

一凹面高反射镜设置在所述第二接地电极和中间电极所构成的放电空间的外侧，并与所述凸面高反射率镜位于所述三个电极的同侧，其反射面朝向放电空间，

两个高反射率镜作为折叠镜分别设在所述第一、第二接地电极和中间电极所构成的放电空间的另一外侧，其反射面分别朝向两放电空间，构成U形折叠耦合光路，

所述凸面高反射率镜、凹面高反射率镜和两个高反射率镜构成一偏轴虚共焦激光非稳腔。

2.如权利要求1所述的波导气体激光器，其特征在于：

两个所述高反射率折叠镜之一为一凹柱面反射镜，另一为平面反射镜，

所述凸面高反射镜为凸球面或凸柱面反射镜，

所述凹面高反射镜为凹球面或凹柱面反射镜。

3.如权利要求1、2中任一项所述的波导气体激光器，其特征在于

在所述凹面高反射率镜的反向输出光束处，设置一垂直于该光束的平面高反射率镜，其反射面朝向该输出光束，作为反馈反射镜。

4.如权利要求1、2和3中任一项所述的波导气体激光器，其特征在于：

沿电极长度方向，在所述中间电极和两个接地电极间两边分别交替跨接多个高电感值和低电感值电感，电感的数量N_f由下式确定：

N_f＝4×(L_d/D_f+1)

其中，L_d是电极长度；D_f为相邻两电感间的间距，

电感值的大小由下式确定：

L_f＝1/(N_f×C_f×ω_f ²) (1)

Lc＝Kc×L_f              (2)

Lx＝Kx×L_f              (3)

L_f＝Lc+Lx               (4)

Kc＝0.55-0.65            (5)

Kx＝0.45-0.35            (6)

式中：ω_f是射频气体放电频率，D_f是相邻两电感间的间距，C_f是射频气体放电矩形波导空间的电容，L_f为每个电感的名义电感值，Lc为每个高电感的实际电感值，Lx为每个低电感的实际电感值。

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