CN1140946C - 轴流一氧化碳激光器的构建方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轴流一氧化碳激光器的构建方法和装置的改进。液氮槽中分流管、放电管、储气池、阳极处气体流出管道用石英材料制作，热交换器用铜材料制作，液氮槽、分流器、汇合器及连接管用不锈钢制作，对石英管与金属管端口的封接用自然性真空封接技术。装置包括液氮槽中各部件分别加工后相连接，形成组合式配置，再与其他部件相连接。本发明有放电性能优异，热交换性能好，自然性真空密封的真空度达到要求等优点。整个器件按各部件分别加工后再组装，不易损坏，成本价格低。

Description

轴流一氧化碳激光器的构建方法及其装置

本发明涉及激光器的制作技术，特别是涉及大功率一氧化碳激光器中轴流一氧化碳激光器的构建方法及其装置的改进。

常用的大功率一氧化碳激光器分为横流一氧化碳激光器和轴流一氧化碳激光器两种。而轴流一氧化碳激光器具有结构简单、输出高、模式好等特点，是激光加工的重要器件。经过调谐的轴流一氧化碳激光器，其激光波光覆盖范围为4.8微米～8.4微米，有近400条谱线可作光谱分析用，且其5.33微米波长的强线在国际上用于激光分离铀同位素，意义重大。

现有的轴流一氧化碳激光器大体上可分为两种。一种为其部件均采用石英材料(或玻璃材料)的全石英器件(或全玻璃器件)，因为轴流一氧化碳激光器工作时要求将混合气(一氧化碳、氮、氦)的温度降得很低，通常是降到100°K左右或以下，这就要求激光器中的热交换器、分流器、分流管、储气池、放电管、汇合器等各部件均处于液氮(77°K)中。全石英材料器件就是指将需要处于液氮中的上述各部件及液氮槽均用石英材料制作，并做成一个全石英整件。由于石英的膨胀系数极小，又因全石英整件为同种材料，故可实现低温下的同步变化，使这种器件能够在低温下运行。这种轴流一氧化碳激光器虽然石英放电管的放电性能优异，整个器件真空性能也好。但是其加工工艺复杂；而且需要使用大量昂贵的石英材料，制造成本高；再就是容易出现破坏性损坏，整体是一件昂贵的易碎品；若按比例放大作成更大的激光器，则安全问题更不容忽视。其次，如果制作过程中退火处理不好，使用一段时间后可能出现自然炸裂，还有就是全石英材料器件其热交换器的性能较差。

另一种轴流一氧化碳激光器是放电管采有陶瓷管或除石英、陶瓷外的绝缘材料管(以下简称为绝缘材料管)，其余部件为金属材料构成，这种轴流一氧化碳激光器各部分均有较高的强度，其热交换器效果也较好。但陶瓷管不仅价格贵，而且陶瓷管与金属材料部件间的焊接技术复杂；又因陶瓷及绝缘材料管壁一般均比石英管(或玻璃管)厚得多，则不利于混合气低速流动时工作，真空封接麻烦，且难于达到要求；再就是电极的最佳定位极为困难，电极最佳定位可使轴流一氧化碳激光器输出明显提高。

本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的缺陷，对轴流一氧化碳激光器的构建方法及其装置进行改进，而提供一种采用石英材料与金属材料相结合进行制作安装的轴流一氧化碳激光器。该激光器既保留了全石英激光系统放电管优异的放电性能，又克服了陶瓷管或绝缘材料管与金属材料部件间焊接、密封方法复杂麻烦等问题，还保证了电极最佳定位易于实现，并使热交换器的性能优于相应的石英部件。同时大大减少了易损部分，整个器件可按各部件分别加工再组装，换接损坏部件方便，且降低了制作成本价格。

本发明的目的是由以下措施实现的：轴流一氧化碳激光器的构建方法是液氮槽中各部件均采用石英管或金属材料、绝缘材料制作。其激光获得过程是：先将一氧化碳、氮、氦(CO、N₂、H_e)三种气体经混气瓶混合后送入预冷器，再经热交换器冷却后由分流管分两路分别进入两独立放电管中部的储气池，然后由两环状狭缝分别径向喷射进入两段放电管，低温气体在放电管内放电并分别流向每段放电管的两端，再经汇合器汇集后由罗茨泵抽走。混合气体在放电管放电时一氧化碳分子受到激发并产生受激辐射，受激辐射在全反镜和输出镜(仍有很高反射率)的控制下，最后激光从输出镜输出。本发明的要点在于，激光器的核心部分均被放置在液氮中，并采用石英管、金属材料、绝缘材料相结合的方法制作。沉没在液氮槽内液氮中的两独立对称的放电管采用石英管，为使放电性能优异，并放电只在放电管内进行，沉没于液氮中的储气池、分流管和从阳极到汇合器的管道也采用石英材料制作，而且两管道内部气体所呈现的电性阻抗应高于放电管内气体所具有的阻抗；其次处于液氮中工作的热交换器采用铜材料制作，铜材料易于加工，其导热系数比石英材料大数个数量级，而且可将热交换器与混合气的接触面做得很大，但总体积并不大；混合气进出管道，分流器、汇合器及其相应衔接部件以及液氮槽则采用不锈钢金属材料制作，这是因为其真空性能好，收缩系数小，且不锈钢易于加工。本发明的要点还在于，提出石英管与金属管端口间的连接采用自然性真空封接技术。

附图为本发明轴流一氧化碳激光器结构示意图。

下面结合附图、工作原理及实施例对本发明进一步详细说明。

附图中，钢瓶1中分装的三种气体一氧化碳、氮、氦(CO、N₂、H_e)以一定比例流入不锈钢混气瓶2混合后再流入不锈钢预冷器3，经过预冷后的混合气再流入用铜材料作成的热交换器5进一步冷却到100°K左右，然后经不锈钢管道A再进入不锈钢管分流器6中，分流器6中的气体由石英分流管7分两路分别进入两独立的对称布置的石英放电管8中部的也对称布置的石英储气池9，储气池9内的冷却混合气由其两环状狭缝分别径向喷射进入石英放电管8，喷射可使混合气进一步降温，低温气体在两段对称放电管放电并分别流向每段放电管的两端，混合气在放电后最终经汇合器10汇集后再由罗茨泵13抽走，混合气体在石英放电管8内放电时一氧化碳分子受到激发并产生受激辐射，受激辐射在全反镜14和输出镜15(仍有很高反射率)的控制下，在输出镜15得到激光输出。

本发明所用放电管选择石英管8，为的使放电性能优异。同时，为使放电只在放电管内进行，因此分流管7和从阳极C到汇合器10(汇合器兼作接地阴极)的管道B均选用石英管，而且它们内部气体所呈现的电性阻抗应高于放电管内气体所具有的阻抗，由于这些管道直径较小，长度短，故加工、换接较方便。石英管绝缘性能好，表面光洁而极少吸附杂气，因而放电时不会因电场或热作用而散发杂气或其自身产生有害于激光工作介质，即有害于一氧化碳、氮、氦(CO、N₂、H_e)混合气的成分。而且石英管壁较薄，一般为1.5∽2毫米，有利于管内激光工作介质向管外液氮释放放电时产生的热量，特别是在工作介质流速不高时通过管壁向液氮释放热量对提高激光输出功率有利。

热交换器5采用铜材料做成，混合气进出管道A、汇合器10及相应衔接部件和液氮槽4采用不锈钢材料做成，是因为金属材料加工容易，坚固，特别是不锈钢材其真空性能很好，也便于和大型罗茨泵及气体混合装置连接。由于金属的导热系数很大，就是不锈钢这种传热很差的金属也比石英等绝缘材料的导热系数高一个数量级以上，所以用铜材做热交换器是理想的选择。利用其导热系数大，可将热交换器与混合气的接触面做得很大，例如，将大量薄铜片连接起来，连接处保持与液氮直接接触，由于混合气的原子、分子直径较小，薄铜片间间隙很小，故热交换器总体积并不大。然而用石英材料作成巨大接触面的热交换器则是相当困难的事。

本发明采用自然性真空封接技术，是将石英管与金属管的端口间进行真空密封，本发明用铜或不锈钢材料与石英管端口间进行真空密封。首先将铜或不锈钢管端口加工成圆形开口接头，其外径尺寸与同它相对接的石英管外径尺寸一致，再用膨胀系数大低温下仍具一定弹性的聚四氟乙稀材料，加工成光滑的圆环，圆环的长度以5厘米为适中，其内径比要对接的石英管、铜或不锈钢管外径略小，以小0.5毫米为适中，然后经加热，待光滑圆环内径增大后，将对接的石英管和铜或不锈钢管套住，即可达到真空密封的目的。经过多次实验表明，这种封接技术在室温下一对接头的密封真空度可达10^-2毫米汞柱高，在液氮温度下不但安全，而且真空度可达10^-3毫米汞柱高以上，完全达到了轴流一氧化碳激光器对真空度的要求。该封接方法不需附加其它手段和措施，简便可行。本发明采用不锈钢材料部件之处也可用黄铜或硬铝制作。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、本发明具有优异的放电性能，金属热交换器与混合气的接触面可以做得很大，因而总传热系数大，热交换性能显著优于其他非金属热交换器。

2、本发明提出石英管与金属管端口间的自然性真空封接技术，其操作方法简单、方便，且达到理想的效果。

轴流一氧化碳激光器的装置，包括有分别装有一氧化碳、氮、氦(CO、N₂、H_e)的钢瓶、混合气瓶、预冷器、进出管道、液氮槽、冷却器、罗茨泵、全反射镜和输出镜，参照附图，钢瓶1与混气瓶2接通，使钢瓶中的三种气体混合于混气瓶内，混气瓶2由管道A与预冷器3连接，预冷器3再经管道与液氮槽4中热交换器5连接，热交换器5通过管道与分流器6连接，分流器6两端分别安装有分流管7，两对称布置的放电管8上各设有一储气池9，储气池与分流管连接，两放电管的一端分别与两阳极C连接，而另一端分别与汇合器10下部连接，汇合器10的上部分与冷却器12连接，冷却器再与罗茨泵13相连接，全反镜14与一放电管一端相接，输出镜15与另一放电管一端相接，按照本发明，该装置的热交换器5、分流器6、分流管7、两对称布置的石英放电管8、储气池9的组合体以及汇合器10的下部分都置于液氮槽4内液氮中，两放电管各自一端分别与两阳极C相连接，阳极C经石英管道B与汇合器10中部连接，两放电管另一端连接于汇合器10的下部。

汇合器10其位于液氮槽液氮面之上部分安装在一个专门设计的开关11的支撑性管道上，再经管道与冷却器12连接。

本装置液氮槽中各部件均分别加工后，再进行组装连接，这样便于换接损坏部件，既方便，又安全可靠。其优点是：

1、本装置各部件为组合式，其加工技术优于整件装置，如全石英整体激光器。

2、由于为组合式，整个器件可按各部件分别加工后再组装，操作简单，并有利于器件按比例放大，做成更大的轴流一氧化碳激光器。

Claims (5)

1、一种轴流一氧化碳激光器的构建方法，是其各部件均采用石英管，或金属材料、绝缘材料制作而成，其激光获得过程是先将钢瓶(1)中的一氧化碳、氮、氦三种气体经混气瓶(2)混合后送入预冷器(3)，再经热交换器(5)冷却后由分流管(7)分两路分别进入两对称放电管(8)中部的储气池(9)，然后由两环状狭缝分别径向喷入两段放电管，低温气体在放电管内放电并流向每段放电管两端，再经汇合器(10)汇集后由罗茨泵(13)抽走，最后激光从输出镜(15)输出，其特征在于为使放电性能优异，液氮槽(4)中两独立对称的放电管(8)采用石英管，为使放电只在放电管内进行，储气池(9)、分流管(7)和从阳极(C)到汇合器(10)的管道(B)也采用石英材料制作，且两管道内部气体所呈现的电性阻抗应高于放电管内气体所具有的阻抗；其次热交换器(5)采用其热导系数比石英材料大数个量级的铜材料制作，这样可将热交换器(5)与混合气的接触面做得很大，而总体积并不大；混合气进出管道(A)、分流器(6)、汇合器(10)及其相应衔接部件、液氮槽(4)则采用真空性能好、收缩系数小、并易于加工的不锈钢材料制作，其特征还在于石英管与金属管端口间的连通，采用自然性真空封接技术进行真空密封，自然性真空封接技术是一种静密封技术，静密封件为聚四氟乙烯圆环，被密封件为需要真空性密封连通的石英管和金属管，聚四氟乙烯圆环不是作为石英管和金属管两种材料管管端之间的需被压紧的密封垫圈，而是套在两管的外侧，在聚四氟乙烯圆环的外侧不加机械性压力，仅靠其在温度变低时的径向自然收缩压紧和聚四氟乙烯圆环内表面与石英管、金属管的外表面间的良好接触而达到真空性密封目的。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的自然性真空封接技术是首先将金属管端口加工成圆形开口接头，其外径尺寸与同它相对接的石英管外径尺寸一致，用膨胀系数大，低温下仍具一定弹性的聚四氟乙稀材料加工成光滑的圆环，圆环的长度以5厘米为适中，其内径比要对接的石英管、金属管外径略小0.5毫米为适中，然后经加热，待光滑圆环内径增大后，将对接的石英管和金属管套住即可达到真空密封的目的，其真空度在室温下可达10^-2毫米汞柱高，在液氮温度下不但安全，且真空度可达10^-3毫米汞柱高以上，完全达到了轴流一氧化碳激光器对真空度的要求。

3、按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于采用金属材料的部件为不锈钢、黄铜或硬铝制作。

4、一种轴流一氧化碳激光器装置，包括有分别装有一氧化碳、氮、氦的钢瓶(1)、混气瓶(2)、预冷器(3)、管道(A)、液氮槽(4)、冷却器(12)、罗茨泵(13)、全反镜(14)和输出镜(15)，钢瓶(1)与混气瓶(2)相连接，混气瓶(2)与预冷器(3)、预冷器(3)与热交换器(5)、热交换器(5)与分流器(6)都通过管道(A)相连接，分流器(6)两端分别安装有分流管(7)，两对称布置的放电管(8)上各设有一储气池(9)，储气池与分流管连接，两放电管各一端再与两阳极(C)连接，两放电管另一端分别与汇合器(10)下部连接，汇合器上部与冷却器(12)相连接，冷却器与罗茨泵(13)连接，全反镜(14)和输出镜(15)分别与两放电管一端相连，其特征在于所说装置的热交换器(5)、分流器(6)、分流管(7)、两对称布置的放电管(8)、储气池(9)的组合体及汇合器(10)的下部分都置于液氮槽(4)内的液氮中，两放电管相接的阳极又通过石英管道(B)与汇合器的中部相接，而汇合器(10)位于液氮槽液氮面之上部分安装了一个开关(11)的支撑性管道，再经管道与冷却器连接。

5、按照权利要求4所述的装置，其特征在于液氮槽(4)中各部件均分别加工后，再将各部件组装连接，便于换接损坏部件。