CN116581627B - 一种气体激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及激光器技术领域，本申请提供一种激光器，包括：激光管，包括放电管，沿所述激光管的轴线方向贯穿于所述激光管的第一端和第二端，所述激光管的第一端设置有阳极柱，所述激光管的第二端设置有阴极柱；阳极，位于所述放电管的阳极端，与所述阳极柱电连接，用于接收正电压，阴极，位于所述放电管的阴极端，与所述阴极柱电连接，用于接收负电压，其中，所述阳极放电端部和所述阴极放电端部在与所述轴线垂直的平面内的投影均为非整圆的圆弧结构，且所述阳极放电端部和所述阴极放电端部的前端面所在的平面与所述轴线的夹角小于90度。本申请气体激光器能够提高气体激光器放电位置的稳定性。

Description

一种气体激光器
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，尤其涉及一种气体激光器。
背景技术
气体激光器利用气体作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。
现有的气体激光器电极放电端部结构复杂，气体激光器在脉冲、连续激光放电使用过程中，电极放电端的放电位置不确定，存在回气管击穿的隐患。
发明内容
本申请一些实施例提供一种气体激光器，包括：
激光管，包括放电管，沿所述激光管的轴线方向贯穿于所述激光管的第一端和第二端，所述激光管的第一端设置有阳极柱，所述激光管的第二端设置有阴极柱；
阳极，位于所述放电管的阳极端，与所述阳极柱电连接，用于接收正电压，所述阳极包括：
阳极电极固定端，固定于所述放电管的阳极端，并与所述阳极柱电连接；
阳极电极支撑架，沿所述轴线方向延伸；
阳极放电端部，设置于所述阳极电极支撑架的末端；
所述阳极电极固定端、阳极电极支撑架以及阳极放电端部一体成型；
阴极，位于所述放电管的阴极端，与所述阴极柱电连接，用于接收负电压，所述阴极包括：
阴极电极固定端，固定于所述放电管的阴极端，并与所述阴极柱电连接；
阴极电极支撑架，沿所述轴线方向延伸；
阴极放电端部，设置于所述阴极电极支撑架的末端；
所述阴极电极固定端、阳极电极支撑架以及阴极放电端部一体成型；
其中，所述阳极放电端部和所述阴极放电端部在与所述轴线垂直的平面内的投影均为非整圆的圆弧结构，且所述阳极放电端部和所述阴极放电端部的前端面所在的平面与所述轴线的夹角小于90度。
在一些实施例中，所述阳极放电端部和所述阴极放电端部在与所述轴线垂直的平面内的投影为半圆弧结构。
在一些实施例中，所述阳极放电端部和所述阴极放电端部的前端面所在的平面与所述轴线的夹角为75-85度。
在一些实施例中，所述阳极放电端部和所述阴极放电端部沿所述放电管的中线对称设置。
在一些实施例中，所述阳极还包括：阳极电极连接架，设置于所述阳极电极支撑架的与所述阳极放电端部相反的一侧，用于保证所述阳极电极支撑架的稳定性；
所述阴极还包括：阴极电极连接架，设置于所述阴极电极支撑架的与所述阴极放电端部相反的一侧，用于保证所述阴极电极支撑架的稳定性。
在一些实施例中，所述阳极电极固定端、阳极电极支撑架、阳极放电端部以及阳极电极连接架一体成型；
所述阴极电极固定端、阴极电极支撑架、阴极放电端部以及阴极电极连接架一体成型。
在一些实施例中，所述阳极电极连接架与所述阳极放电端部在与所述轴线垂直的平面内的投影构成一个圆环；所述阴极电极连接架与所述阴极放电端部在与所述轴线垂直的平面内的投影构成一个圆环。
在一些实施例中，所述阳极电极连接架相对于所述阳极放电端部靠近所述阳极电极固定端设置；所述阴极电极连接架相对于所述阴极放电端部靠近所述阴极电极固定端设置。
在一些实施例中，所述阳极放电端部与所述阳极电极支撑的连接处设置为圆弧角；所述阴极放电端部与所述阴极电极支撑的连接处设置为圆弧角。
在一些实施例中，所述阳极放电端部和所述阴极放电端部的前端面分别离散的设置有多个放电尖端。
本申请气体激光器的电极放电端部采用半圆环形结构，并且在端面增加了倾角，使激光器的在使用中，电极放电位置不发生变化，从而提高了气体激光器放电位置的稳定性，同时提升了输出光斑模式的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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为本申请一些实施例提供的激光器的整体结构示意图；
图2为本申请一些实施例提供的阳极放电端部、阴极放电端部的结构示意图；
图3为本申请一些实施例提供的阳极的立体结构示意图；
图4为本申请一些实施例提供的阳极的侧面结构示意图。
附图标记说明：
激光管100、储气室310、放电管320、水冷套管330、支点340、阳极110、阳极柱120、全反射镜片130、进水口140、回气管150、阴极210、阴极柱220、输出镜片230、出水口240、阳极电极固定端111、阳极电极支撑架112、阳极放电端部113、阳极电极连接架114、连接处115、放电尖端116、阴极电极固定端211、阴极电极支撑架212、阴极放电端部213、阴极电极连接架214。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
还需要说明的是，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商品或者装置不仅包括那些要素，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商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
相关技术中，气体激光器，例如二氧化碳激光器，通过阴极电极放电端、阳极电极放电端形成高压放电，激励气体产生激光，其中，阴极电极放电端、阳极电极放电端结构采用端面结构，在放电过程中，由于阴极电极放电端、阳极电极放电端的端面存在多个最近距离点，甚至为最近放电距离面，导致其实质放电位置不确定，特别是存在毛边情况下，多数以毛边点、边缘点围绕最近距离面旋转放电，导致放电效果不理想，存在回气管击穿的隐患。
本申请一些实施例提供本申请一些实施例提供一种气体激光器，包括：激光管100，包括放电管320，沿所述激光管100的轴线方向贯穿于所述激光管100的第一端和第二端，所述激光管100的第一端设置有阳极柱120，所述激光管100的第二端设置有阴极柱220；阳极110，位于所述放电管320的阳极端，与所述阳极柱120电连接，用于接收正电压，所述阳极110包括：阳极电极固定端111，固定于所述放电管320的阳极端，并与所述阳极柱120电连接；阳极电极支撑架112，沿所述轴线方向延伸；阳极放电端部113，设置于所述阳极电极支撑架112的末端；所述阳极电极固定端111、阳极电极支撑架112以及阳极放电端部113一体成型；阴极210，位于所述放电管320的阴极端，与所述阴极柱220电连接，用于接收负电压，所述阴极210包括：阴极电极固定端211，固定于所述放电管320的阴极端，并与所述阴极柱220电连接；阴极电极支撑架212，沿所述轴线方向延伸；阴极放电端部213，设置于所述阴极电极支撑架212的末端；所述阴极电极固定端211、阳极电极支撑架112以及阴极放电端部213一体成型；其中，所述阳极放电端部113和所述阴极放电端部213在与所述轴线垂直的平面内的投影均为非整圆的圆弧结构，且所述阳极放电端部113和所述阴极放电端部213的前端面在与所述轴线平行的平面内的投影与所述轴线的夹角小于90度。
本申请气体激光器的阴极电极、阳极电极的放电端部，采用半圆环形倾角结构，并使阴极放电端部、阳极放电端部的半圆环形倾角结构对称设置进行放电，半圆环形倾角结构使激光器阴极放电端部、阳极放电端部的放电点每次都在半圆环形倾角的顶端，使气体激光器电极的放电位置保持不变，实现激光器稳定放电，减少了辉光放电的现象，减少了电极端口在圆环端面上旋转状态放电的现象。同时，本申请的电极结构为一体式、轻量化设计，采用电极前端放电结构，末端采用开口式结构，电极前端放电端远离了激光器的回气管，保证了电极在放电的同时，减少对激光器击穿的隐患，一体式结构减少了金属之间的电连接，并且去除了尖边放电的现象，放电位置更加稳定，提高激光器放电的稳定性。
下面结合附图详细说明本申请的可选实施例。
图1为本申请一些实施例提供的气体激光器的整体结构示意图，图2为本申请一些实施例提供的阳极放电端部、阴极放电端部的结构示意图。
参照图1和2所示，本申请一些实施例提供本申请一些实施例提供一种气体激光器，包括：激光管100，激光管100内包括放电管320，放电管320沿所述激光管100的轴线方向贯穿于所述激光管100的第一端和第二端，放电管320内密封有放电混合气体，例如二氧化碳等。所述激光管100的第一端设置有阳极柱120，所述激光管100的第二端设置有阴极柱220，用于向放电管320提供高压电源。激光管100还包括水冷套管330，水冷套管330套设于放电管320 ，水冷套管330两端设置有进水口140和出水口240，冷却水从进水口140进入从出水口240流出，在水冷套管330内循环流动给放电管320散热。激光管100还包括储气室310以及回气管150，回气管150用于消除直流放电中产生的“电泳”现象，储气室310位于水冷套管330外层，回气管150螺旋环绕于储气室310外侧。激光管100外还包括至两个支点340，用于支撑激光管100。激光管100还包括全反射镜片130和输出镜片230，用于产生并输出激光。
在一些实施例中，如图1和图2所示，本申请提供的气体激光器还包括阳极110，位于所述放电管320的阳极端，阳极110与所述阳极柱120电连接，用于接收正电压；阴极210，位于所述放电管320的阴极端，阴极210与所述阴极柱220电连接，用于接收负电压，其中，所述阳极放电端部113和所述阴极放电端部213在与所述轴线垂直的平面内的投影均为非整圆的圆弧结构，且所述阳极放电端部113和所述阴极放电端部213的前端面所在的平面与所述轴线的夹角a小于90度，如图2所示，其中AB表示激光管100的轴线方向，MN表示阳极110和阴极210的对称轴线。本申请气体激光器的阴极电极、阳极电极的放电端部，采用非整圆的圆弧结构，并且圆弧形结构的前端面具有倾角结构，并使阴极放电端部、阳极放电端部的圆弧型倾角结构对称设置进行放电，可以使激光器阴极放电端部、阳极放电端部的放电点每次都在圆弧型倾角结构的顶端，从而使气体激光器电极的放电位置保持不变，实现激光器稳定放电，减少了辉光放电的现象，相对于无倾角的端面结构，减少了电极端口在圆环端面上旋转状态放电的现象。
在一些实施例中，所述阳极放电端部113和所述阴极放电端部213在与所述轴线AB垂直的平面内的投影为半圆弧结构，相对于超过半圆弧结构的结构，半圆弧结构更能使半圆弧结构的最低端向前倾斜，保证放电位置始终处于最低端的位置，当电极支撑架的间距一定的情况下，电极支撑架的间距即为半圆弧结构的直径，从而能够保证放电端部的稳定性；当圆弧结构小于半圆时，圆环的最低端距离轴线AB更近，弧线更平，容易形成多个放电端面，导致其实质放电位置不确定，特别是存在毛边情况下，多数以毛边点、边缘点围绕最近距离面旋转放电，导致放电效果不理想，存在回气管击穿的隐患。
在一些实施例中，所述阳极放电端部113和所述阴极放电端部213的前端面所在的平面与所述轴线的夹角a为75-85度，当角度过大，甚至达到接近90度时，就会失去尖端优势，容易形成多个放电端面，导致其实质放电位置不确定，特别是存在毛边情况下，多数以毛边点、边缘点围绕最近距离面旋转放电，导致放电效果不理想，存在回气管击穿的隐患。当角度过小，例如小于60度时，会在尖端端面存在预电离现象，即当无工作电压时，仍然有可能因为存在残留电荷而形成电离，造成安全隐患。
图3为本申请一些实施例提供的阳极的立体结构示意图，阴极的立体结构示意图与阳极的立体结构示意图对称，故省略说明。在一些实施例中，如图2和3所示，所述阳极110包括：阳极电极固定端111，阳极电极固定端111固定于所述放电管320的阳极端，阳极电极固定端111与所述阳极柱120电连接，接收高压正电压的输入，阳极电极固定端111为圆环状，写阳极电极固定端111的环面较宽，用于使阳极110更加稳定；阳极电极支撑架112，沿所述轴线方向延伸，阳极电极支撑架112可以为对称的长条金属结构，从而可以减轻电极整体重量；阳极放电端部113，设置于所述阳极电极支撑架112的末端；所述阳极电极固定端111、阳极电极支撑架112以及阳极放电端部113一体成型；对称的，所述阴极210包括：阴极电极固定端211，固定于所述放电管320的阴极端，并与所述阴极柱220电连接；阴极电极支撑架212，沿所述轴线方向延伸；阴极放电端部213，设置于所述阴极电极支撑架212的末端；所述阴极电极固定端211、阳极电极支撑架112以及阴极放电端部213一体成型；阳极110和阴极210相对于对称轴线MN对称设置，形成放电对。本申请的电极结构为一体式、轻量化设计，采用电极前端放电结构，末端采用开口式结构，电极前端放电端远离了激光器的回气管，保证了电极在放电的同时，减少对激光器击穿的隐患，一体式结构减少了金属之间的电连接，并且去除了尖边放电的现象，放电位置更加稳定，提高激光器放电的稳定性。
在一些实施例中，所述阳极110还包括阳极电极连接架114，设置于所述阳极电极支撑架112的与所述阳极放电端部113相反的一侧，用于保证所述阳极电极支撑架112的稳定性；所述阴极210还包括：阴极电极连接架214，设置于所述阴极电极支撑架212的与所述阴极放电端部213相反的一侧，用于保证所述阴极电极支撑架212的稳定性。
在一些实施例中，所述阳极电极固定端111、阳极电极支撑架112、阳极放电端部113以及阳极电极连接架114一体成型；所述阴极电极固定端211、阴极电极支撑架212、阴极放电端部213以及阴极电极连接架214一体成型，保证阳极110和阴极210吴焊接毛刺，防止由于焊接毛刺而形成放电，同时使得阳极110和阴极210更加稳定，避免运输过程中晃动而导致放电位置的不准确。
在一些实施例中，所述阳极电极连接架114与所述阳极放电端部113在与所述轴线垂直的平面内的投影构成一个圆环；所述阴极电极连接架214与所述阴极放电端部213在与所述轴线垂直的平面内的投影构成一个圆环，这样，阳极110和阴极210在上下方向上都存在一个半圆，更加能够保证阳极110和阴极210的稳定性。
在一些实施例中，所述阳极电极连接架114相对于所述阳极放电端部113靠近所述阳极电极固定端111设置；所述阴极电极连接架214相对于所述阴极放电端部213靠近所述阴极电极固定端211设置，避免由于阳极电极连接架114或阴极电极连接架214的边缘毛刺形成放电，影响阳极放电端部113和阴极放电端部213的放电，且错落交叉的设置，更加有利于阳极110和阴极210的稳定性。
在一些实施例中，所述阳极放电端部113与所述阳极电极支撑架112的连接处115设置为圆弧角；所述阴极放电端部213与所述阴极电极支撑架212的连接处设置为圆弧角，去除尖边做钝化处理后，能够进一步避免不必要的位置产生尖端放电，影响放电端部的放电。
图4为本申请一些实施例提供的阳极的侧面结构示意图，阴极的侧面结构示意图与阳极的侧面结构示意图对称，故省略说明。在一些实施例中，如图3和图4所示，所述阳极放电端部113和所述阴极放电端部213的前端面分别离散的设置有多个放电尖端116，例如1-5个固定的放电尖端，优选1-3个，每个放电尖端的倾角在10度范围以内，从而能够形成稳定的放电点，进一步避免可能存在的毛刺的放电干扰。其中，放电尖端116设置于所述阳极放电端部113和所述阴极放电端部213的最低点，例如集中于放电端部在垂直于轴线投影的圆弧面的弧底位置，如果是3个放电尖端116，则可以分布于弧底5度范围内，用于加强阳极放电端部和所述阴极放电端部的前端面的尖端放电优势，从而形成稳定的放电位置，即使其他位置存在毛刺等干扰放电点，也因为毛刺相对于放电尖端116没有那么突出而忽略不计，进而保证放电位置的稳定性。
在一些实施例中，所述阳极放电端部113和所述阴极放电端部213的前端面设置有锥形切面，锥形切面的倾斜角度为10-20度，使得阳极放电端部113和所述阴极放电端部213的前端面形成刀锋结构，有利于加强端面的局部放电效果。
在一些实施例中，阳极电极连接架114或阴极电极连接架214的边缘（例如前边缘）进行平滑处理，例如形成圆弧状，从而减轻非放电位置的尖端效应或毛刺现象，使电极放电更加稳定。
在一些实施例中，本申请的阴极210和阳极110的材料选择为镍、铝、银铜合金等，优选镍，镍具有使放电时二氧化碳分子离解的氧气和一氧化碳重新合成二氧化碳分子的催化作用，因此，可以延长工作气体的寿命。
如图4所示，在一些实施例中，本申请的阳极电极固定端111的宽度为D1，阳极电极连接架114的宽度为D2，阳极电极支撑架112的宽度为D3，其中满足D1>D2>D3，从而能够有效兼顾电极110的稳定性和重量，在尽可能轻的前提下保证放电电极的稳定。
本申请二氧化碳激光器进行举例说明。
放电管内径为10mm。
工作气体包括CO2，N2，He，Xe,H2,气体比例为CO2：N2：He：Xe：H2=1:1.5:8:0.3:0.05。
工作气压为PCO2d=4500（Pa.mm）, PCO2表示工作气体CO2的压力，d为放电管直径。
放电电流为20mA，电压为20kV。
其输出功率为：Pout=14.4π（I0/Is）, 其中，I0为激光谐振腔内的振荡光强，Is为饱和光强。
整个二氧化碳激光器放电稳定，输出稳定，输出激光参数稳定。
最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种气体激光器，其特征在于，包括：
激光管，包括放电管，沿所述激光管的轴线方向贯穿于所述激光管的第一端和第二端，所述激光管的第一端设置有阳极柱，所述激光管的第二端设置有阴极柱；
阳极，位于所述放电管的阳极端，与所述阳极柱电连接，用于接收正电压，所述阳极包括：
阳极电极固定端，固定于所述放电管的阳极端，并与所述阳极柱电连接；
阳极电极支撑架，沿所述轴线方向延伸；
阳极放电端部，设置于所述阳极电极支撑架的末端；
所述阳极电极固定端、阳极电极支撑架以及阳极放电端部一体成型；
阴极，位于所述放电管的阴极端，与所述阴极柱电连接，用于接收负电压，所述阴极包括：
阴极电极固定端，固定于所述放电管的阴极端，并与所述阴极柱电连接；
阴极电极支撑架，沿所述轴线方向延伸；
阴极放电端部，设置于所述阴极电极支撑架的末端；
所述阴极电极固定端、阳极电极支撑架以及阴极放电端部一体成型；
其中，所述阳极放电端部和所述阴极放电端部在与所述轴线垂直的平面内的投影均为非整圆的圆弧结构，且所述阳极放电端部和所述阴极放电端部的前端面所在的平面与所述轴线的夹角小于90度。
2.根据权利要求1所述的气体激光器，其特征在于，所述阳极放电端部和所述阴极放电端部在与所述轴线垂直的平面内的投影为半圆弧结构。
3.根据权利要求1所述的气体激光器，其特征在于，所述阳极放电端部和所述阴极放电端部的前端面所在的平面与所述轴线的夹角为75-85度。
4.根据权利要求1所述的气体激光器，其特征在于，所述阳极放电端部和所述阴极放电端部沿所述放电管的中线对称设置。
5.根据权利要求4所述的气体激光器，其特征在于，
所述阳极还包括：阳极电极连接架，设置于所述阳极电极支撑架的与所述阳极放电端部相反的一侧，用于保证所述阳极电极支撑架的稳定性；
所述阴极还包括：阴极电极连接架，设置于所述阴极电极支撑架的与所述阴极放电端部相反的一侧，用于保证所述阴极电极支撑架的稳定性。
6.根据权利要求5所述的气体激光器，其特征在于，所述阳极电极固定端、阳极电极支撑架、阳极放电端部以及阳极电极连接架一体成型；
所述阴极电极固定端、阴极电极支撑架、阴极放电端部以及阴极电极连接架一体成型。
7.根据权利要求5所述的气体激光器，其特征在于，所述阳极电极连接架与所述阳极放电端部在与所述轴线垂直的平面内的投影构成一个圆环；所述阴极电极连接架与所述阴极放电端部在与所述轴线垂直的平面内的投影构成一个圆环。
8.根据权利要求5所述的气体激光器，其特征在于，所述阳极电极连接架相对于所述阳极放电端部靠近所述阳极电极固定端设置；所述阴极电极连接架相对于所述阴极放电端部靠近所述阴极电极固定端设置。
9.根据权利要求4所述的气体激光器，其特征在于，所述阳极放电端部与所述阳极电极支撑的连接处设置为圆弧角；所述阴极放电端部与所述阴极电极支撑的连接处设置为圆弧角。
10.根据权利要求1所述的气体激光器，其特征在于，所述阳极放电端部和所述阴极放电端部的前端面分别离散的设置有多个放电尖端。
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