CN1101175A - 大功率气体混合物激光器 - Google Patents

Abstract

激光器包括激发氮气流的发生器(1)。该发生器 操作在高于0.3×10⁵气压下，为电晕放电型发生器， 它耦合到带有反射镜的波导管上，波导管由例如传声 道(2)的一部分构成，传声道的主方向大体平行于互 通的平行六面体通道(18)，用于注入CO₂的至少一 个平行六面体导管(19)通到平行六面体导管(18) 中。激光器特别用于切割材料。

Description

本发明涉及一种大功率混合物激光器，这种类型的激光器包括一个激发氮气流的发生器和一个将CO₂（二氧化碳）气流从发生器的下游引入到被激发的氮气流的装置。

这种类型的混合CO₂激光器已由C.O.Brown在《Applied Physics Letters（Vol.17，No.9，November，1970）》上他的论文“大功率CO₂放电混合激光器”中进行了描述。虽然这种放电混合激光器已在前些时候公开了，但是他们还没得到工业性的开发，主要是由于他们操作在很低的压力下、很难选择发生器的受激发类型以及推荐使用氦气。另一方面，大功率CO₂激光器一般说来在工业规模上的应用还相当有限，这不但是由于它们的成本高，对于光学部件本质上还不够可靠，而且还由于损耗问题，以及还没有任何光导纤维适合于传输这些波长10μm的大功率激光。

本发明的目的是提供一种低成本的供工业上使用的大功率混合激光器，该激光器具有大大改进的、可靠的、并以紧凑的形式传输超过千瓦的大功率激光。

为此，按照本发明的特征，激发氮体流的发生器是冷放电型的，操作压力高于0.3×10⁵Pa，并且耦合到一个沿其主方向具有相对的反射镜的波导管上。

所谓“冷放电”意味着被激发的物种在气态混合物中形成，而且气态混合物中电中性的物种的温度不超过250℃，一般的为150℃。按照作者的意见，这种类型的放电也被称为例如“电晕放电”，“大气压辉光放电”，“位垒放电”或“静放电”。

按照本发明的另外的特征，发生器包括管状放电室，气体横向于放电室的轴线循环;波导管的主方向大体平行于放电室的轴线;CO₂引入到平行于上述轴线的气体通道;波导管是传声道型的，具有大曲率半径的弧形槽形状，其主方向大体平行于上述轴线;至少一个反射镜包括至少一个钻石晶片。

在Marhic等人的美国专利No.4194808中描述了作为波导管的传声道的结构和特性。在《IEEE Journal of Quantum Electronics（Vol.QE-15，No.6，June，1979）》上Marhic等人在他的论文“传声道型CO₂激光器”中叙述了这种传声道型激光的使用。传声道型CO₂激光器直到现在还受到短寿命问题的影响和功率的影响，寿命主要是由于在光束的传播区域由放电引起下降，功率受到放大介质体积的限制。

本发明的配置可以避免上述问题，混合激光的概念和在压力相当高的冷放电型发生器中激发氮气束可以得到很高的和连续的增益。另外，利用混合激光器，可以利用相当的气流来清扫波导管的反射镜，这就防止了粒子沉积在上面和防止了产生导致反射镜很快变坏的热点。另外一方面，使用钻石反射镜可以大体上消除反射镜短寿命的问题。其次，长度短的波导管激光器反射镜的调整不是重要的，用传声道型波导管甚至是更理想的：反射镜方向2°的变化不引起功率的任何变化，而且即使有1°的偏离，激光仍保持单一型式。即使传声道的曲率半径很大，传声道的型式仍然是小的，约1mm²。对于d′lKW的光束，共振腔内部的功率密度大于200KW/cm²，对钻石反射镜这是完全容许的。

按照本发明的其它特征，供给发生器的气体至少包括78%的氮气，通常是氮和氧的混合气，例如含氧约5%，最好利用吸附和/或渗透装置来处理空气，用此方法供给气体混合物;激光器包括将一种由氦、氢和水蒸气组成的一组气体中选出的气体引入到气体混合物中的装置。

本发明的另一个目的是提供一种按上述方法限定的用于切割材料的工业用激光器，其特征在于，它在其出口耦合到一个多螺旋形的终止于聚焦头的传声道，由此可以最大限度利用传声道的特性。

下面提供附图说明用图表示的但不作限制的实施例，由此可以清楚本发明的其它特征和优点，附图中：

图1是示出本发明激光器原理配置的示意图;

图2是本发明激光器的示意横截面图;

图3是本发明一个实施例的局部示意图;

图4是示出本发明另一个实施例的类似于图2的截面图;

图5和图6是校正光束不对称的共振腔的示意图;

图7是本发明的切割材料用的工业用激光器的示意图。

在下面的描述和附图中，相同的或类似的部件具有相同的参考号。

如图1所示，本发明的激光器包括一个放电发生器1，该发生器通过其输出口输送包含已被激发的氮分子气流，供给由波导管例如传声道2的一部分构成的共振腔，传声道2的形状为弧形槽，其主曲率半径大于1m，在其相对的端部具有反射镜3和透过激光束的反射镜或窗口4。利用配置在共振腔5与发生器1的输出口之间的注入装置6使CO₂气流与包含已激发的氮气的气流混合。发生器1被这样设置，使得通过细长的出口通道13产生一个均匀的横向于波导管2的气流，波导管2形状为槽形，其主方向大体平行于出口通道13。

在图2所示的实施例中，发生器1如同本申请人在法国专利申请No.92.07486中公开的发生器，它在一个金属架内，主要包括管形的具有轴线X的圆筒电极8，该电极同心地围绕共轴电介质管9，在管9的内表面上装有内电极10，该电介质管9与圆筒电极8构成与电介质管9共轴的管形气体通道11，还包括通过入口12和出口13的金属架的向外开口，入口和出口的形状为槽口形，平行于通道11的轴线X，槽口沿直径相对配置，其高度不超管形通道11的径向厚度。电极8和10被连接到高压高频发生器14上。内电极10限制冷却流体15例如水或氟利昂循环的体积。

按照本发明，图1中的部件16连接在发生器1上形成整套激光器20，部件16形成高度约1mm的纵向凹部，其中配置传声道2，该传声道2槽的底部大体平行于出入口12和13构成的直径平面，侧向气体出口通道17和平行六面体的气体入口通道18加长了金属架1的出口13，可以将CO₂从入口18横向上的平行六面体通道19引入通道18，通过例如网格21使CO₂同包含被激发氮气的气流混合，被激发氮气在进入激光腔之前由于唯一激发跃迁激光的上能级而将其能量传递到CO₂上。

如图2示意出的激光束是椭圆的，具有线性偏振。从一侧进入的气体富于振动能而离开的气体没有这种能量，因此按照传声道2的横向气流方向（Z轴）激光束是不对称的。为了抵消这种不对称，可以采用图4的配置，该配置允许传声道的单方向光学控制，即配置传声道，使其垂直面对气体通道18的下游端部，通道18对着主体1的出口通道13，此外，CO₂入口19a、19b最好是对称的，气体出口通路17a、17b也是这样。还可以采用有三个反射镜3₁、3₂、3₃的折回腔，其中两个反射镜3₂、3₃是倾斜的（图5），带有仿形反射镜4的不稳定腔提供一个逸出开口（图6），或者波导管至少具有一个多孔的导向表面，可以注入气流穿过该表面。另一方面，在图2的实施例中，为保证大部分被激发物种穿过包含光子的区域，传声道2的下壁23上具有定向的凹痕，因而有利于在凹部中形成高度涡流。

按照本发明的一个方面，在传声道2端部的反射镜3和4至少由一个涂层的或不涂层的C-Ⅱ-A钻石晶片构成，如例如在本申请人的法国专利申请No.92.02437中所述。如图3所示，该图示出由传声道2构成的波导管，如果不希望使用穿过波导管2的气体混合物来清扫反射镜3和/或4，则可以利用一般通过通气罩24的辅助过滤气流来清洗这些反射镜，该通气罩紧靠反射镜3配置，其尺寸稍大于激光外形的尺寸。

从气源25引入到发生器1的气体的压力在0.3×10⁵Pa和3×10⁵Pa之间，最好约为0.5×10⁵Pa，或为简化操作，最好在大气压，引入的气体是至少包含78%氮和通常的氧的气体混合物，例如空气。一般在混合激光器中大比例使用的氦这里不需要。加氦的目的是稳定放电和使激光跃迁的下能级去激发。由于在发生器1中使用冷放电，所以也无需稳定。加入例如氢或水蒸气可以实现去激发，最好在引入CO₂的区域加入，氢或水蒸气在媒介气流中被引入，为实现去激发，他们比氦更有效。氢和水蒸气也使激光跃迁的上能级去激发，因此其浓度需要准确控制。氢的量不应当超过总气流的2%或3%，氢最好与CO₂在发生器的下游引入以避免使氮去激发。同CO₂混合的水蒸气量不应超过10000ppm。

最好用空气通过吸附或渗透得到的包含少量（大于1%）氧气的氮气提供给发生器1，这样可以降低氮气的成本。这样，使用含氧5%的氮气电晕放电发生器1的输出相对于使用纯氮气仅有稍许降低。氮气中包含的氧在发生器1中将部分转化成臭氧，而后有效地由混合在CO₂中的氢破坏生成水。在用空气供给发生器的情况下，发生器1中的压力最好约0/5×10⁵Pa，提供的空气用水清洁，使水量不超过5000ppm，并最好小于100ppm。水量应在100ppm和5000ppm之间保持常数。对于在0.5×10⁵Pa压力的给定空气流率，在下游引入的CO₂和氢的流率在最佳实施例中分别在该空气流率的10%和30%之间和在该空气流率的0.5%和1%之间。

为了限制不同气体的消耗，最好如图7所示安装一种气体循环管路，使从出口17排出的气体混合物进入薄膜渗透装置26，该装置26可以回收CO₂、氦或氢，然后在入口19处重新注入。如果需要，可在输入口12再注入净化的氮气。在同一图7中，示出了一个用于切断材料的完整激光器。离开激光器的反射镜4的激光束通到一个耦合系统27，然后再通到一个有柔性的多圈传声道28，该传声道的自由端包括一个独立于激光器20而可移动的聚焦系统，以便跟随切割形状。

虽然本发明已根据特殊的实施例进行了说明，但是本发明并不由此受到限制，相反，它还允许进行对该领域技术人员来说是显而易见的改进和变化。

Claims (17)

1、一种大功率混合激光器，包括激发氮气流的发生器(1)和将CO₂气流引入到已激发的氮气流中的装置(6；19)，其特征在于，发生器(1)是冷电晕放电型，操作在大于0.3×10⁵Pa的气压下，耦合到具有反射镜(3、4)的波导管(2)上，反射镜(3、4)沿波导管的主方向相对配置。

2、按权利要求1所述的激光器，其特征在于，发生器（1）包括具有轴线（X）的管形放电室（11），它对于轴线（X）进行气体横向循环。

3、如权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，波导管（2）的主方向平行于轴线（X）。

4、如权利要求3所述的激光器，其特征在于，CO₂气体通过至少一条平行于轴线（X）的气体通道引入。

5、如权利要求2至4之一所述激光器，其特征在于，波导管（2）的形状为具有大曲率半径的弧形槽，该槽的主方向大体平行于轴线（X）。

6、如权利要求5所述的激光器，其特征在于，配置槽（2）的底部设置成大体平行于通道（18）中的气体混合物气流。

7、如权利要求5所述的激光器，其特征在于，配置槽（2）的底部设置成大体垂直于通道（18）中的气体混合物气流。

8、如上述权利要求之一所述的激光器，其特征在于，至少一个反射镜（3;4）包括至少一个钻石晶片。

9、如上述权利要求之一所述的激光器，其特征在于，供给发生器（1）的气体（25）至少包含78%的氮气。

10、如权利要求9所述的激光器，其特征在于，在供给发生器（1）的气体（25）中水蒸气的含量不超过5000ppm。

11、如上述权利要求之一所述的激光器，其特征在于，它包括将一种气体引入到供给波导管（2）的气体混合物中的装置，这种气体是从由氦气、氢气和水蒸气组成的一组气体中选择的。

12、如权利要求11所述的激光器，其特征在于，气体混合物中氢的体积含量上不超过3%。

13、如权利要求11所述的激光器，其特征在于，供给波导管（2）的气体混合物中水蒸气的含量不超过10000ppm。

14、如权利要求9至13之一所述的激光器，其特征在于，供给发生器（1）的气体（25）包含约5%的氧气。

15、如上述权利要求之一所述的激光器，其特征在于，供给发生器（1）的气体（25）的压力约为0.5×10⁵Pa。

16、如权利要求1至14之一所述的激光器，其特征在于，它包括一个使离开出口17的气体混合物再循环的管路，该管路包括分离CO₂和氮气用的装置（26）。

17、如上述权利要求之一所述的激光器，该激光器用于切割材料，其特征在于，它耦合到一个终止于聚焦头（29）的多圈传声道（28）上。

Images