CN115621829B - 一种射频激励波导co2激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种射频激励波导CO2激光器。本发明涉及激光加工特别是工业精密加工和医学应用的射频激励波导CO2激光器技术领域，本发明在不改变射频波导CO2激光器整机一体化结构的前提下，通过对于射频激励波导CO2激光器整机动态运转参数的优化设计，如调节射频波导CO2激光器的气体动力学参数和谐振腔参数的最佳匹配、调节波导管内射频放电等离子体的时间占空比与CO2气体激光上能级寿命的最佳匹配，实现受激辐射过程的最佳激光振荡阈值条件，使得增益开关效应最大化，最大限度地缩短了激光建立时间，获得了良好的脉冲宽度压缩效应。

Description

一种射频激励波导CO2激光器
技术领域
本发明涉及激光加工特别是工业精密加工和医学应用的射频激励波导CO2激光器技术领域，是一种射频激励波导CO2激光器。
背景技术
CO2激光在工业加工和医学等方面的应用，利用的是激光束的辐照效应：在激光与物质相互作用的整个过程中，都需要控制激光束只能对于被照射部位产生不可逆的破坏作用而不能造成周围部位损伤或者只允许产生可逆性的损伤。激光主要依靠热效应来破坏照射部位，但物质在受热的同时不可避免地向周围传导热量，有可能造成非照射部位不希望有的损伤，因此，如何解决热传导造成的副作用是激光应用中一个无法回避的重要问题。当激光照射到某种材料时，物质所吸收的激光一般在10-3秒~10-7秒范围、最快的可在亚纳秒时间内转化为热能，由此引起的热应力以波的形式传播。瞬间的短脉冲激光照射，可以使得物质表面内的热应力波传播速度远比热扩散速度快，造成被照射物质所吸收的热量无法散失，由此可知，短脉冲激光的辐照效应与连续激光存在着很大的不同。显然，热传导的多少与热作用的时间有关系，时间越长，热损伤的范围就越大，正如日常生活中经常遇到的现象那样，当手指快速划过烛火时，皮肤不会烫伤，但若慢慢地划过肯定会烧伤手指。激光辐照效应理论证明：只要照射激光的脉冲宽度小于材料的热弛豫时间（即热量从照射部位中被扩散出去50%所需要的时间），就可以有效地消除甚至完全避免激光照射对于周围部位的热损伤。以上事实意味着如下推论成立：材料的破坏过程是时间的函数，具有明显的功率损伤阈值性质。基于材料对于能量损伤与功率损伤敏感性的不同，有效的激光加工过程应该满足两个方面的要求：一个是需要较强的激光功率来破坏被照射部位，一个是需要较短的激光脉冲宽度来减少对于周围部位的热损伤。激光加工的实践经验也证明：在一定范围内，激光加工质量与照射的激光脉宽有关系，激光脉宽越短，激光加工效果越好。因此，激光加工应用，特别是对于损伤要求敏感的精密加工和医学应用，必须采用高峰值功率的短脉冲激光。此外，由于不同材料具有不同的热弛豫时间，为提高激光加工效率，面对不同的加工材料和不同的加工要求，经常需要采用不同脉冲宽度和不同重复频率的激光照射，所以，一个好的加工用激光器，其输出的激光脉冲宽度和重复频率都必须是可以连续调节的。
为获得尽可能短的脉冲激光输出，必须对于激光器采取有效的脉冲宽度压缩技术措施。对于射频激励波导CO2激光器来说，最常用的脉宽压缩手段是调Q、腔倒空和锁模等调制技术，例如，采用声光、电光、转镜、转盘等调Q器件都可以将CO2激光输出的脉冲宽度压缩到百纳秒量级范围，而腔倒空和锁模技术还可以将CO2激光的脉宽压缩至10纳秒量级。转镜和转盘等机械式的调Q手段均因存在着机械运动部件而导致的速度慢、效率低、寿命短和稳定性差等缺点，很少被采用，基本上属于被淘汰的技术，目前最成熟、应用最广泛的脉宽压缩方式是在谐振腔内插入声光或者电光调制器的Q调制技术（也称调Q技术）。腔倒空和锁模应用的技术原理虽然不同，但同样需要使用声光调制器或者电光调制器，本质上也都属于调制技术的范畴，只是锁模激光器对于环境和技术的要求更苛刻、更复杂。然而，对于大规模商业应用的射频波导CO2激光器而言，采用声光调制或者电光调制技术的缺点也是显而易见的：
从应用指标角度来看，声光调制器件和电光调制器件分别受到衍射效率与损伤阈值限制，调制输出的激光平均功率较小，脉冲宽度也几乎不能调节；
从生产成本角度来看，由于CO2激光属于远红外波段，而该波段的激光调制器件都非常昂贵，如一套声光调制器价格近十万人民币，而电光调制器的价格更是高达数十万人民币，如此高的价格已经达到射频激励波导CO2激光器整机平均售价的十倍左右，这是不可接受的；
从技术复杂性角度来看，由于需要在谐振腔内插入光学调制器（同时还需配备调制器的驱动器及其控制单元）不得不采用半外腔结构，此举不仅增加了波导端口与自由空间之间的光学耦合损耗，而且增加了激光器的长度和重量，严重地破坏了波导谐振腔结构和激光器整机系统的一体性，使得激光器在运转寿命、稳定性、可靠性和应用灵活性等方面的性能大大降低；
从环境适应性角度来看，无论是声光调制器，还是电光调制器，在温度变化、湿热、灰尘、冲击、振动等方面的适应性远低于CO2激光器，这种情况会在相当程度上限制和缩小激光器的应用场合与范围，此外，声光调制器的射频驱动器、电光调制器的高压脉冲驱动器，还会产生额外的电磁辐射干扰，导致激光器整机系统的电磁兼容性进一步降低。
以上情况说明，找到一种生产成本低廉、输出指标满足应用需求并且能够符合规模化批量生产工艺要求的简单技术手段实现短脉冲输出，对于扩大CO2激光加工应用的领域范围和推动CO2激光加工朝着深入的方向发展，具有极为重要的现实意义。有鉴于此，本发明根据射频激励波导CO2激光器具有较高的比功率输出能力（即较强的单位长度增益）和较长的上能级寿命的优良性质，提出了一种简单实用的激光脉冲宽度压缩技术，可以在不改变激光器整机结构的前提下将激光脉冲宽度压缩到只有采用Q调制技术才能获得的百纳秒量级范围，相信此举将为CO2激光短脉冲输出方式增添一个新的技术途径。
射频激励波导CO2激光器，除了少数采用金属波导约束放电之外，大部分采用金属氧化物陶瓷（如BeO陶瓷、Al2O3陶瓷等）波导约束放电。在约束的波导沟槽（也称波导管）中，充入CO2激光振荡所需要的混合工作气体（如He、N2、CO2、H2、H2O、Xe等），当这些混合气体被射频电源激励形成等离子体时，就成为产生激光输出的增益介质；在波导管两端放置输出镜和反射镜构成一个谐振腔，就可以实现激光输出。当射频电源的放电过程能够被某个信号控制时，就实现了射频放电的调制过程。改变控制信号的脉冲频率、占空比，就实现了对于波导管内射频放电等离子体的周期调制，获得时间性质不同的激光脉冲输出。这样结构的射频激励波导CO2激光器输出脉冲激光的技术指标显然与充入波导管内的气体等离子体性质、射频电源的调制过程和谐振腔的振荡参数密切相关。
根据激光器谐振腔内受激辐射的振荡过程，脉冲运转的激光器能够压缩脉冲宽度的原理主要依赖的是激光介质的增益开关效应。所谓的增益开关效应，是指在所有其他参数保持不变的情况下，激光器输出激光的脉冲宽度只与谐振腔内激光增益的大小具有非线性的强相关性质：增益越大，输出的激光脉宽越短，比如，横向激励大气压（TEA）CO2激光器，在不采取任何脉宽压缩措施的情况下即可输出小于百纳秒的激光脉冲，主要原因就是由于快速泵浦产生了较高激光增益的缘故。因此，不仅只有采取激光调制技术可以压缩激光脉冲的时间宽度，任何增加激光谐振腔内增益开关效应的技术方法都有压缩激光脉宽的效果。根据多年来对于系列射频激励波导CO2激光器产品的实验研究和参数测试发现，该类型激光器的工作介质具有很高的比功率输出能力（即较强的单位长度增益）和较长的上能级寿命，这两个参数的典型值分别为10W/cm3和400ms，如此优良的激光增益特性，意味着该激光器具有短脉冲输出的技术能力。为了获得最短的激光脉冲宽度，射频波导CO2激光器整机系统的各种参数均要围绕着加强放电等离子体的增益开关效应来设计，这个设计的中心关键点在于，实现激光谐振腔参数与波导管内射频放电等离子体时间调制参数的最佳动态匹配。经过这样的优化设计之后，才能有效地增强受激辐射振荡过程中的增益开关效应，显著地缩短谐振腔内的激光建立时间。此举不仅能够获得与Q调制技术相比拟的百纳秒量级的CO2激光短脉冲输出，而且还能实现激光脉冲宽度从百纳秒至毫秒范围、激光脉冲重复频率从每秒一次至十千赫兹范围的连续可变调节。这些技术内容主要包括了如下几个方面：
脉冲激光器可以比连续激光器具有更高的充气压，因此可以在适当提高射频波导管内激光增益介质总气压的同时进一步优化气体种类和充气比例，改善射频气体放电等离子体的动力学参数，扩大增益能量存储密度，获得更多的反转粒子数，控制增益介质上能级寿命不低于400ms，调节CO2和N2之间的能量共振转移效应以消除和减小激光脉冲的拖尾，有利于激光脉冲能量的提取和获得高峰值功率短脉冲输出；
改变谐振腔参数以满足连续功率输出为主的设计原则，参数设计以满足短脉冲输出为主，其中最主要的一个措施是采用透过率更高一些的输出镜来提高腔内激光的振荡阈值，增加初始反转粒子数与阈值反转粒子数的比值，造成腔内激光在较高的增益水平上振荡，这种振荡一旦超过阈值便可迅速地形成激光脉冲输出，极大地减少了激光建立时间，形成较强的增益开关效应，获得类似于Q调制技术效果的短脉冲输出；
采用更高频率和更高功率的宽带射频电源，在满足射频电源和气体等离子体阻抗匹配的前提下实现激光气体介质的快速泵浦和快速截止，缩短谐振腔内激光振荡输出过程中的各种弛豫时间；
控制波导管内射频等离子体的放电占空比，实现谐振腔内CO2激光振荡的时间过程与增益气体上能级反转粒子数动态变化的最佳匹配，形成增益的腔倒空效果，即在一个激光脉冲振荡输出过程中把所有在上能级寿命期间存储的能量全部提取出来，不仅能够最大限度地增加激光脉冲的峰值功率，而且还可以有效地避免产生多余的次生脉冲；
调节波导管内射频放电等离子体的调制频率，可以改变激光器输出激光的脉冲重复频率，但需要注意的是激光器输出最短脉冲对应的最佳重复频率在与上能级寿命相匹配的2.5kHz附近，当重复频率高出2.5kHz时，激光脉宽会有不同程度的增加；
调节波导管内射频放电等离子体的放电占空比和放电频率，实现激光器输出的激光脉冲宽度、激光脉冲重复频率以及激光输出平均功率的改变；
采取同步延时调节技术，将激励波导气体放电的预电离脉冲与射频调制主脉冲放电的重复频率设置在2~10ms范围的同步延时状态下，以此消除原来采取固定重复频率预电离脉冲放电造成的与主调制脉冲放电频率不一致的“非同步”干扰作用，同时还能实现预电离放电过程对于主脉冲放电的增益叠加作用，进一步加强了谐振腔的增益开关效应；
采用去离子水并设定在不结露的最低温度条件下冷却激光器，最大限度地降低激光气体介质的工作温度，有效地增加气体介质的单位长度的增益强度。
综合采用以上所述的所有环节（而不是单纯地仅采用其中的一、两个技术）并在实现了各种技术环节之间的最佳匹配条件时，才能够得到以往只有采用声光调制技术或者电光调制技术才能得到的百纳秒量级的CO2激光短脉冲输出，同时还能实现激光脉冲宽度从百纳秒至毫秒范围、激光脉冲重复频率从每秒一次至十千赫兹范围的连续可变调节。现有技术采用复杂和成本昂贵的激光调Q调制。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足， 本发明提供一种射频激励波导CO2激光器。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种射频激励波导CO2激光器，本发明提供了以下技术方案：
一种射频激励波导CO2激光器，所述激光器包括激光器谐振腔的输出镜，谐振腔的中心光轴，陶瓷片的波导约束沟槽，第一激光工作气体存储空间，下射频电极连接线，射频下平板电极，激光工作气体密封机壳，激光器谐振腔的全反射镜，第二激光工作气体存储空间，氧化铝陶瓷片，上射频电极连接线，射频上平板电极，射频电源和射频电源金属屏蔽机壳；
激光器的前端设置有激光器谐振腔的输出镜，激光器的后端设置有激光器谐振腔的全反射镜，激光器谐振腔的输出镜，激光器谐振腔的全反射镜与激光工作气体密封机壳形成激光器的密闭空间；
激光器内部中央设有陶瓷片的波导约束沟槽，陶瓷片的波导约束沟槽中心线处设置有谐振腔的中心光轴，陶瓷片的波导约束沟槽上层连接氧化铝陶瓷片，陶瓷片的波导约束沟槽下层连接射频下平板电极，氧化铝陶瓷片上层连接射频上平板电极；
射频上平板电极连接上射频电极连接线，上射频电极连接线连接射频电源，射频电源外部设置有射频电源金属屏蔽机壳；射频下平板电极连接下射频电极连接线；
第一激光工作气体存储空间位于射频下平板电极与激光工作气体密封机壳的夹层空间；
第二激光工作气体存储空间位于射频上平板电极与激光工作气体密封机壳的夹层空间。
优选的，通过选取输出镜的合适透过率、加强陶瓷片的波导约束沟槽的增益开关效应、优化第一激光工作气体存储空间和第二激光工作气体存储空间工作气体的动力学参数、采用更高功率、更高频率和更高带宽的射频电源以及实现激光振荡过程的最佳参数动态匹配过程，实现最短的激光脉冲输出和激光脉冲宽度的可变调节。
优选的，射频调制占空比最好在0~25%范围内变化，最大不能超过30%。
优选的，陶瓷片的波导约束沟槽包括：波导沟槽间的气体循环连接通道，陶瓷片定位孔和陶瓷片N型波导沟槽；
通过波导沟槽间的气体循环连接通道让气体更好地循环散热；
通过陶瓷片定位孔定位和固定陶瓷片；
通过陶瓷片N型波导沟槽作为气体等离子体的放电通道。
优选的，波导沟槽约束形式多种多样，包括直线型、交叉型、M型。
优选的，采用调制频率fT、占空比为on/T的直流信号调制射频电源，按照选定的时间周期过程工作，当直流调制信号处于TTL/on时射频电源开始激励激光工作气体并迅速地实现气体击穿的等离子体放电过程RF/on，当调制信号处于TTL/off时便即刻截止射频放电过程RF/off，调节TTL控制信号，控制激光脉冲的输出行为。
优选的，射频放电的重复频率不超过10kHz，当需采用超过10kHz重复频率运转时，则要采用最小的调制占空比。
优选的，在低重复频率时高电平（on）时间不能大于由上能级寿命所决定的400ms。
一种医用辐照激光装置，所述装置基于一种射频激励波导CO2激光器。
一种工业用激光装置，所述装置基于一种射频激励波导CO2激光器。
本发明具有以下有益效果：
本发明与现有技术相比：
本发明摒弃了技术复杂和成本昂贵的激光调Q、腔倒空以及锁模等调制方式而采用了一种较为简明的技术手段，同样实现了只有采用声光或者电光调制技术才能获得的百纳秒量级短脉冲激光输出。采用本发明技术手段的射频激励波导CO2激光器，即保持了激光器整机的一体化结构，又能提供激光加工所需的技术指标，更重要的是因所用技术手段简单没有增加激光器整机的生产成本，同时也非常适合企业规模化生产的工艺要求。
本发明的特点是，在不改变射频波导CO2激光器整机一体化结构的前提下，通过对于射频激励波导CO2激光器整机动态运转参数的优化设计，如调节射频波导CO2激光器的气体动力学参数和谐振腔参数的最佳匹配、调节波导管内射频放电等离子体的时间占空比与CO2气体激光上能级寿命的最佳匹配，实现受激辐射过程的最佳激光振荡阈值条件，使得增益开关效应最大化，最大限度地缩短了激光建立时间，获得了良好的脉冲宽度压缩效应。
本发明的主要性能指标是，获得了百纳秒量级的短脉冲激光输出；实现了激光脉冲宽度从百纳秒至毫秒范围、激光脉冲重复频率从每秒一次至十千赫兹范围的连续可变调节。
本发明的应用前景是，由于短脉冲CO2激光能够有效地提高激光加工效率、加工质量和改善激光生物学效应，必将能够衍生出以前不可能实现的某些新的应用技术领域，促进CO2激光应用范围的不断扩展，而本专利技术具有较低生产成本的特点，也将对于这种发展从商业角度和市场方面提供强大的助推力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是射频激励波导CO2激光器中一种典型的N型折叠沟槽的波导约束；
图2是频激励波导CO2激光器结构剖面示意图；
图3是射频（RF）交流脉冲激励信号（a）、TTL直流调制信号（b）和被调制的RF脉冲波形包络（c）；
图4是整机参数设置不适当时输出较差的激光波形；
图5是整机参数设置适当时输出不同脉宽的激光波形；
图6是改变射频调制频率和调制占空比可以获得不同脉宽的激光输出。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图6所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本发明涉及一种射频激励波导CO2激光器。
一种射频激励波导CO2激光器，所述激光器包括所述激光器包括激光器谐振腔的输出镜2、谐振腔的中心光轴3、陶瓷片的波导约束沟槽4、第一激光工作气体存储空间5、下射频电极连接线6、射频下平板电极7、激光工作气体密封机壳8、激光器谐振腔的全反射镜9、第二激光工作气体存储空间10、氧化铝陶瓷片11、上射频电极连接线12、射频上平板电极13、射频电源14和射频电源金属屏蔽机壳15；
激光器的前端设置有激光器谐振腔的输出镜2，激光器的后端设置有激光器谐振腔的全反射镜9，激光器谐振腔的输出镜2、激光器谐振腔的全反射镜9与激光工作气体密封机壳8形成激光器的密闭空间；
激光器内部中央设有陶瓷片的波导约束沟槽4，陶瓷片的波导约束沟槽4中心线处设置有谐振腔的中心光轴3，陶瓷片的波导约束沟槽4上层连接氧化铝陶瓷片11，陶瓷片的波导约束沟槽4下层连接射频下平板电极7，氧化铝陶瓷片11上层连接射频上平板电极13；
射频上平板电极13连接上射频电极连接线12，上射频电极连接线12连接射频电源14，射频电源14外部设置有射频电源金属屏蔽机壳15；射频下平板电极7连接下射频电极连接线6；
第一激光工作气体存储空间5位于射频下平板电极7与激光工作气体密封机壳8的夹层空间；
第二激光工作气体存储空间10位于射频上平板电极13与激光工作气体密封机壳8的夹层空间。
1表示激光器的激光输出方向，图3（a）表示的是频率fR=100MHz的射频（RF）电源交流激励信号；图3（b）表示的是激光器控制单元的5V电平直流TTL调制信号，其中的符号T为调制信号的时间周期，TTL/on为5V高电平（高电平时射频电源输出激励脉冲），TTL/off为0V低电平（低电平时射频电源停止射频输出）；图3（c）表示的是被TTL信号调制的RF交流脉冲包络波形，RF/on为射频输出时间，RF/off为射频输出截止时间，该包络脉冲与调制信号在时间上完全同步，即包络脉冲的频率f=fT。虽然射频激励属于交流脉冲放电，但脉冲放电并不能产生频率为fR的脉冲激光而是输出连续激光，这是因为射频频率fR很高以至于脉冲放电的时间间隔远小于CO2激光器工作气体上能级寿命的缘故所致。射频激励波导CO2激光器欲实现脉冲输出，则需要对于连续射频激励放电过程进行脉冲调制，被调制后的包括诸多射频交流脉冲在内的一个射频脉冲包络只能产生一个激光脉冲，由此可见，激光器输出的激光脉冲重复频率f（即包络脉冲频率f）等于TTL信号的调制频率fT而与射频频率fR无关。激光器输出激光的最高脉冲重复频率由谐振腔内的激光建立时间和CO2气体的上能级寿命共同决定。由于激光建立时间较短以及在振荡建立过程中快速地消耗掉大量的反转粒子数，造成CO2分子有效的上能级寿命迅速缩短，因此，激光脉冲的最高重复频率实际上由有效的动态上能级寿命决定而不是静态的能级寿命所决定，这是脉冲激光器的一个特点，这个特点使得脉冲激光器可以在远高于上能级寿命所决定的重复频率下运转。另外一点，射频调制脉冲包络的时间宽度也不等于激光脉冲的时间宽度，根据设置的不同，激光脉宽可以大于也可以小于包络的时间宽度。本专利技术采用调制频率fT、占空比为on/T的直流信号调制射频电源，使其按照所选定的时间周期过程工作，当直流调制信号处于TTL/on时射频电源开始激励激光工作气体并迅速地实现气体击穿的等离子体放电过程（RF/on），当调制信号处于TTL/off时便即刻截止射频放电过程（RF/off），如图3（b）和（c）所示，调节TTL控制信号，便可控制激光脉冲的输出行为。在本专利述及的技术条件下，为保证激光器输出良好的激光脉冲波形，对于TTL调制信号提出如下限制要求（超出限制时激光脉冲波形会变坏甚至形成连续输出）：
1. 射频调制占空比最好在0~25%范围内变化，最大不能超过30%；
2. 射频放电的重复频率不超过10kHz，若需采用超过10kHz重复频率运转时，则要采用尽可能小的调制占空比；
3. 任何条件下特别是在低重复频率时高电平（on）时间不能大于由上能级寿命所决定的400ms。
如图4所示，若射频激励波导CO2激光器参数设置不合理则不可能获得波形较好以及重复频率可控的激光脉冲输出：图4（a）表示的是在较差的射频放电等离子体气体动力学参数情况下，CO2分子与N2分子之间的能量共振转移效应过大，导致产生时间宽度>30ms的非常明显的激光脉冲拖尾现象；图4（b）表示的则是激光脉冲频率f大于调制脉冲频率fT时所产生的多余次生脉冲输出现象，主要原因是谐振腔输出镜透过率较低和调制信号占空比较大两个原因共同导致的高增益、低阈值振荡现象，没有形成完全的增益倒空效果，导致在一次脉冲输出之后剩余的增益强度仍然还能形成振荡产生了次生脉冲。
如图5所示，当射频激励波导CO2激光器整机参数设置合理时获得的波形较好的百纳秒量级的短脉冲激光输出。
如图6所示，在射频调制频率为10kHz、调制占空比5%条件下获得的约50ms脉宽的典型激光脉冲波形。此时的激光脉冲的峰值功率明显降低但是激光输出的平均功率却大大增加。
欲获得射频激励波导CO2激光器的短脉冲激光输出，必须全面地采用所有环节的技术手段并要求这些技术手段相互之间处于最佳的匹配条件，因为，只有实现这样的综合效果才能使得激光器输出的技术指标最优，而仅仅只是采用其中一、两个环节手段获得的贡献远远不足以支持激光器处于最佳运转条件。上述每个环节的技术内容以及最佳匹配条件，都是需要经过理论指导下的反复实验过程才能确定。特别值得指出的是，并不是所有型号的射频激励波导CO2激光器的最佳参数设置都是一样的，不同型号的每种激光器的最佳参数都是需要经过试验测试后才能够最终确定下来。
按照本专利提供的技术方案，以公司生产的连续激光比功率输出值11.2W/cm3、连续输出功率60W的RLT-60型射频激励氧化铝陶瓷波导约束放电N型折叠腔式CO2激光器为例，在经过一系列的短脉冲输出参数优化后，当参数设置被确定为冷却水温度12℃、射频激励频率100MHz、预电离脉冲重复频率2.5kHz、射频调制主脉冲频率2.5kHz、预电离脉冲与射频调制主脉冲之间同步延时2.5ms、射频调制主脉冲放电占空比3%、总充气压13.5kPa、充气种类以及充气比例He:CO2:N2:Xe=6:1:2:总量的3%、平面输出镜透过率50%、上能级寿命430ms条件下，获得了能够比拟采用调Q技术才能获得的、最小时间宽度为300ns的短脉冲输出，输出的激光脉冲波形如图5（a）所示；在与上述完全相同的条件下，当将调制占空比改为4%时，激光脉冲宽度被调节为800ns，此时输出的激光脉冲波形如图5（b）所示。在上述各种条件下，通过共同改变调制频率和占空比，可以大范围地改变激光器输出的脉冲宽度，比如在调制频率为10kHz、调制占空比为5%时获得的约50ms脉宽的典型脉冲波形，如图6所示。由于在不同的参数条件下，激光器输出的脉冲宽度即可以大于或者小于射频RF/on包络的时间宽度，所以，根据需要，通过调制频率和占空比参数的不同组合设置，便可以获得不同脉冲宽度和不同重复频率的激光输出，当然，这种不同参数的组合设置，同时也改变了激光器输出脉冲的峰值功率值和平均功率值。
具体实施例二：
本申请实施例二与实施例一的区别仅在于：
通过选取输出镜的合适透过率、加强陶瓷片的波导约束沟槽的增益开关效应、优化第一激光工作气体存储空间和第二激光工作气体存储空间工作气体的动力学参数、采用更高功率、更高频率和更高带宽的射频电源以及实现激光振荡过程的最佳参数动态匹配过程，实现最短的激光脉冲输出和激光脉冲宽度的可变调节。
具体实施例三：
本申请实施例三与实施例二的区别仅在于：
射频调制占空比最好在0~25%范围内变化，最大不能超过30%。
具体实施例四：
本申请实施例四与实施例三的区别仅在于：
陶瓷片的波导约束沟槽包括：波导沟槽间的气体循环连接通道，陶瓷片定位孔和陶瓷片N型波导沟槽；
通过波导沟槽间的气体循环连接通道让气体更好地循环散热；
通过陶瓷片定位孔定位和固定陶瓷片；
通过陶瓷片N型波导沟槽作为气体等离子体的放电通道。
图1表示的是一种有代表性的射频激励波导CO2激光器上、下两个射频金属平板电极之间夹持的由氧化铝（Al2O3）陶瓷片中沟槽形成的波导约束，这样的结构使得CO2工作气体只能在N型波导沟槽内形成被约束的等离子体放电。图1所示陶瓷片中垂直方向的两道平行沟槽为气体循环连接通道，作用是能够让两端的气体更好地循环散热；两个圆孔为陶瓷片的定位孔，用于陶瓷片的定位和固定；陶瓷片Z型（也称为N型）沟槽为波导约束，沟槽的作用是作为气体等离子体的放电通道。在紧贴陶瓷片端面的Z型波导沟槽位置，放置一个输出镜和三个反射镜，就构成激光器的折叠式光学谐振腔。波导沟槽约束形式多种多样，如直线型、交叉型、M型等，Z型沟槽只是其中一种典型的结构形式。
具体实施例五：
本申请实施例五与实施例四的区别仅在于：
波导沟槽约束形式多种多样，包括直线型、交叉型、M型。
具体实施例六：
本申请实施例六与实施例五的区别仅在于：
采用调制频率fT、占空比为on/T的直流信号调制射频电源，按照选定的时间周期过程工作，当直流调制信号处于TTL/on时射频电源开始激励激光工作气体并迅速地实现气体击穿的等离子体放电过程RF/on，当调制信号处于TTL/off时便即刻截止射频放电过程RF/off，调节TTL控制信号，控制激光脉冲的输出行为。
具体实施例七：
本申请实施例七与实施例六的区别仅在于：
射频放电的重复频率不超过10kHz，当需采用超过10kHz重复频率运转时，则要采用最小的调制占空比。
具体实施例八：
本申请实施例八与实施例七的区别仅在于：
在低重复频率时高电平（on）时间不能大于由上能级寿命所决定的400ms。
具体实施例九：
本申请实施例九与实施例八的区别仅在于：
本发明提供一种医用辐照激光装置，所述装置基于一种射频激励波导CO2激光器。
具体实施例十：
本申请实施例十与实施例九的区别仅在于：
本发明提供一种工业用激光装置，所述装置基于一种射频激励波导CO2激光器。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或 者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表 述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或 N 个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下， 本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特 征进行结合和组合。 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如 两个，三个等，除非另有明确具体的限定。 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个 或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的 实施例所属技术领域的技术人员所理解。 在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实 现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设 备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播 或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或N个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM 或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进 行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存 储在计算机存储器中。 应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实 施方式中，N 个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或 固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离 散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场 可编程门阵列（FPGA）等。
以上所述仅是一种射频激励波导CO2激光器的优选实施方式，一种射频激励波导CO2激光器的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种射频激励波导CO2激光器，其特征是：所述激光器包括激光器谐振腔的输出镜、谐振腔的中心光轴、陶瓷片的波导约束沟槽、第一激光工作气体存储空间、下射频电极连接线、射频下平板电极、激光工作气体密封机壳、激光器谐振腔的全反射镜、第二激光工作气体存储空间、氧化铝陶瓷片、上射频电极连接线、射频上平板电极、射频电源和射频电源金属屏蔽机壳；
激光器的前端设置有激光器谐振腔的输出镜，激光器的后端设置有激光器谐振腔的全反射镜，激光器谐振腔的输出镜、激光器谐振腔的全反射镜与激光工作气体密封机壳形成激光器的密闭空间；
激光器内部中央设有陶瓷片的波导约束沟槽，陶瓷片的波导约束沟槽中心线处设置有谐振腔的中心光轴，陶瓷片的波导约束沟槽上层连接氧化铝陶瓷片，陶瓷片的波导约束沟槽下层连接射频下平板电极，氧化铝陶瓷片上层连接射频上平板电极；
射频上平板电极连接上射频电极连接线，上射频电极连接线连接射频电源，射频电源外部设置有射频电源金属屏蔽机壳；射频下平板电极连接下射频电极连接线；
第一激光工作气体存储空间位于射频下平板电极与激光工作气体密封机壳的夹层空间；
第二激光工作气体存储空间位于射频上平板电极与激光工作气体密封机壳的夹层空间；
通过选取输出镜的透过率、加强陶瓷片的波导约束沟槽的增益开关效应、优化第一激光工作气体存储空间和第二激光工作气体存储空间工作气体的动力学参数、采用功率、频率和带宽的射频电源以及实现激光振荡过程的最佳参数动态匹配过程，实现最短的激光脉冲输出和激光脉冲宽度的可变调节，具体为：控制波导管内射频等离子体的放电占空比，实现谐振腔内CO2激光振荡的时间过程与增益气体上能级反转粒子数动态变化的最佳匹配，形成增益的腔倒空效果；调节波导管内射频放电等离子体的调制频率，可以改变激光器输出激光的脉冲重复频率，但需要注意的是激光器输出最短脉冲对应的最佳重复频率在与上能级寿命相匹配的2.5kHz附近，当重复频率高出2.5kHz时，激光脉宽会有不同程度的增加；采取同步延时调节技术，将激励波导气体放电的预电离脉冲与射频调制主脉冲放电的重复频率设置在2～10μs范围的同步延时状态下，以此消除原来采取固定重复频率预电离脉冲放电造成的与主调制脉冲放电频率不一致的“非同步”干扰作用，同时实现预电离放电过程对于主脉冲放电的增益叠加作用，加强了谐振腔的增益开关效应。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征是：射频调制占空比在0～25％范围内变化。
3.根据权利要求2所述的激光器，其特征是：陶瓷片的波导约束沟槽包括：波导沟槽间的气体循环连接通道，陶瓷片定位孔和陶瓷片N型波导沟槽；
通过波导沟槽间的气体循环连接通道让气体更好地循环散热；
通过陶瓷片定位孔定位和固定陶瓷片；
通过陶瓷片N型波导沟槽作为气体等离子体的放电通道。
4.根据权利要求3所述的激光器，其特征是：波导沟槽约束形式包括直线型、交叉型、M型。
5.根据权利要求4所述的激光器，其特征是：采用调制频率fT、占空比为on/T的直流信号调制射频电源，按照选定的时间周期过程工作，当直流调制信号处于TTL/on时射频电源开始激励激光工作气体并迅速地实现气体击穿的等离子体放电过程RF/on，当调制信号处于TTL/off时便即刻截止射频放电过程RF/off，调节TTL控制信号，控制激光脉冲的输出行为。
6.根据权利要求5所述的激光器，其特征是：射频放电的重复频率不超过10kHz，当需采用超过10kHz重复频率运转时，则要采用最小的调制占空比。
7.根据权利要求6所述的激光器，其特征是：在低重复频率时高电平(on)时间不能大于由上能级寿命所决定的400ms。
8.一种医用辐照激光装置，其特征是：所述装置基于如权利要求1-7任意一项权利要求所述的激光器。
9.一种工业用激光装置，其特征是：所述装置基于如权利要求1-7任意一项权利要求所述的激光器。
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