CN1437783A - 气体激光器 - Google Patents

Abstract

一种具有不稳定负枝非稳谐振腔的高频泵浦缝隙型气体激光器，包括两个金属电极(6)和(7)，它们形成一个放电间隙(5)，在该放电间隙侧的电极(6)和(7)的表面以沟槽(9)的形式制成凹槽，上述的沟槽垂直于该激光器的光轴。在该谐振腔中，具有上述结构的电极形成一个波导，其间辐射沿着该激光器光轴传播，而且辐射是沿着垂直于激光光轴的方向自由传播。另外，沟槽(9)形成了一个用于进行激光辐射主模选择的空间滤波系统，这也减小了激光束的发散度。在除了谐振腔镜和输出窗的所有激光器工作元件上，设有由预定的溅射方法而获得的、厚度为1－5μm的涂层，它是一种纯铝膜，这影响了激光器中气体介质的组成，从而延长了该装置的使用寿命。

Description

气体激光器

技术领域

本发明涉及量子电子学领域，且可用于制作激活介质高频激励的气体激光器。

背景技术

对于具有激活介质扩散冷却的二氧化碳激光器类型来说，波导激光器的结构紧凑是公知的，其中由于激光辐射沿着具有方形或圆形截面的波导的激光轴扩散的事实，使得激活介质可以获得很高的辐射功率和有效的冷却，其波导横截面的一般尺寸为0.2-0.5cm。

而且，激光辐射传播过程的特性取决于放电间隙结构，正如1984年的激光工程与应用会议摘要(Digest of Conference in LaserEngineering and Application)中的论文Tu B4、由R.Hertzberg等人撰写的“射频激励的带状CO和CO₂激光器”中所述的那样，由于放电间隙足够宽大而使得光可以在垂直于纵向光轴的方向上自由传播。

如1988年J.TuLip的美国专利4719635和1990年L.Opower的美国专利4939738中所述的那样，缝隙二氧化碳激光器中公知含有一对长条形冷却金属电极，它们的处位使其形成一个其中充满激励介质的放电间隙，并且该谐振腔的腔镜设在上述放电间隙电极端部附近。

在所述的缝隙放电间隙中激励出横向高频放电。同时，缝隙放电间隙也是光导，其中的辐射沿着电极传播，就像在波导和横向上自由传播一样。这种波导与光导辐射传播的结合使其能获得高强度的激励介质泵浦能量值，而且也因此获得很高的辐射产生功率。

在已知的缝隙激光器中，在非波导方向上采用非稳谐振腔结构，它能改善非波导方向上对产生的辐射所进行主模选择。这种谐振腔型公知为一种不稳定正枝谐振腔，它所采用的是一个凸面镜和一个凹面镜。

采用其焦点在谐振腔内的两个凹面镜将形成一个具有不稳定负枝非稳谐振腔的激光装置，如J.Nishimae等人的1991年美国专利5048048、1992年美国专利5123028和1994年美国专利5238797以及A.I.Dutov等人的1997年俄国(RU)专利2124790中所述的那样，它也在波导方向上进行主模选择，但由于它对不同轴度反应不灵敏，所以不同于不稳定正枝谐振腔。

同时，尽管波导方向上的低阶模理论上应产生于其间隙高度为0.15-0.3cm的缝隙激光器的光波导中，但是由于激励介质非均匀性以及在该激励介质上折射的存在，使得在介质中也产生高阶模，这将导致束发散的剧烈增长。

在放电间隙电极端部和反射镜表面由于波的相互作用会产生与模成分畸变的同种效果。在含有短的激励介质长度和足够大曲率的凹面镜的紧凑型激光器中，其主模在这种反射镜的反射作用下被大大削减，而且该激光器的辐射能量被泵浦到高阶模，其模结构畸变度正比于放电间隙的平方高度。作为凹面谐振腔镜的表面曲率函数，主模与次阶模间能量分布的计算结果表明：第三阶和第五阶模所聚集的能量可达主模能量的相当大比例；而且，与高阶模滤波相应，该比值表征了放电缝隙的选择特性，它将随着放电间隙高度的减小而显著降低。

我们还知道：如果放电间隙高度为0.4cm，更多的共焦非稳谐振腔不能足够可靠地选择主模，如1995年的Proc.SPIE第2713卷第51-57页由A.L.Dutov等人所述。

我们知道，其主模选择性增强的非波导型谐振腔包括一对传统结构的反射镜和两个形成放电间隙的平面平行电极，该电极具有特殊的形状，它具有很小的弯曲(0.5-1.5mrad)，且在电极表面中部有一个台阶，这使其能进行主模(低阶模)选择，如1998年在Santa Fe出版的Proc.SPIE第3343卷第55页由P.Vitruk等人所撰写的“Int.Symp.on High-power Laser Ab1ation”一文中所述。

我们已知，由于采用能产生一维周期性损耗的空间损耗调制器且对沿该激光器主光轴平行方向传播的激光辐射进行相位调制，所以，具有稳定谐振腔的缝隙型气体激光器可以实施单一高阶模的谐振腔内选择方法，如1993年D.R.Hall等人的WO 93/01635“板条形激光谐振器”中所述。

以上所述的调制器含有电极，在其上位于谐振腔腔镜附近或沿该缝隙波导表面且平行于主光轴形成具有周期性结构的槽或上升截面，所述的周期取决于谐振长度，且要考虑反射相干条件(Talbot条件)进行选择。

而且，为了提高反射器系数，缝隙波导的电极表面施有高反涂层。空间损耗调制器还可由电极截面上具有不同反射系数的溅射材料生成，其根据预设的空间周期来选择。

不需激励介质泵浦的已知气体激光器(分裂型激光器(unsoldered1asers))的一个缺点在于它使用期有限，这取决于电极和谐振腔腔镜的表面质量，还取决于运行过程中激励介质是否清洁以及其组分和性能能否保持。

由于放电过程中分子的分解、激光器表面的吸附、吸附在表面上的或溶解在预定介质中外来气体的离析进入运行腔体，改变了气体介质的组成，使得该气体介质的质量变劣，从而引起激光器使用期限受限。

利用放电等离子体粒子与表面间的相互作用特性以及该表面本身的性质，例如通过在激光器元件内表面上涂覆氧化金或氧化银催化剂膜来还原二氧化碳分子，以减少激励介质的分解程度的技术是公知的，如1988年J.A.Macken的美国专利4765000和1988年J.A.Macken的美国专利4757512中所述。

铝膜具有类似的特性，如1990年Proc.SPIE第1276卷上W.Haas、T.Kihimoto所撰写的“二氧化碳激光器及其应用”中所述。

影响因放电而产生的激励粒子与谐振器元件(反射镜)间相互作用过程的强度以及电极表面反射性能的类似涂层可以以片段形式置于附加电极表面或反射镜前的屏上，所述电极附加表面上的涂层不参与放电过程，如P.Gardner等人的PCT WO 93/17474中所述。

一种已知的缝隙型气体激光器已被选作在此所提交的发明的最接近相关技术，这种缝隙型气体激光器用空间损耗调制器进行内腔选模。

本发明的任务在于改善激光器运行特性，特别是提高对低阶模(主模)的选择性，减少激光束的发散，并增加分裂型激光器的使用寿命。

附图简介

图1-6中说明了本发明的要点。

图1以示意的方式表示根据本发明所构成的缝隙激光器的纵向截面图。

图2中示意了凹面谐振腔镜表面上主模(i＝1，i为模数)与次阶波导模(i＝3，5，7)间辐射能量Ei分布对反射镜的曲率1/R的计算关系曲线图，其中R为反射镜半径，放电间隙高度为h＝0.4cm。

图3与图2所示的关系曲线图相同，它由放电间隙高度等于h＝0.2cm计算而得。

图4示意了所算出的多个波导模式(i＝3，5，7)中辐射能量Ei的损失(以相对于初始数值的百分数计算)与自由光传播距离X之间的关系曲线。

图5示意了所算出的两种情况下放电间隙的横向截面中(近场)辐射强度1分布(模结构)与高度Y之间的曲线——一种是不采用空间滤波器系统(曲线1)，另一种是采用类似系统(曲线2)，它用作具有不稳定负枝非稳谐振腔的缝隙激光器的典型例子，其中电极长度为60cm，气体放电缝隙高度为0.2cm，反射镜与电极端部的间距为0.4cm，谐振器放大系数为1.17。

图6示意了所算出的远场中激光辐射功率W的角分布曲线，这些曲线与图5中所示的不采用和采用空间滤波系统(分别为曲线1和曲线2)的情况下辐射强度分布I(X)的计算曲线相应。

发明概述

根据本发明，高频激励的缝隙型激光器的特征在于：它包括一个盛装激励气体介质的防渗漏壳体和一个用于激光辐射输出的窗；在该壳体内安装带有反射镜的谐振器，在反射镜之间相对放置长条形电极，形成放电间隙，所述的电极与一个高频发生器相连，且其上有覆盖层，在面向放电侧的表面上形成多个凹槽；所述激光器的突出之处在于上述的凹槽以沟槽的形式形成，它们与放电间隙轴垂直而设，且以用于激光辐射选模的空间滤波系统的形成而设置间距；另外，上述沟槽的几何参数和它们之间的距离的选择使其能实现低阶辐射模式的产生。

缝隙型气体激光器(图1)是一个盛有激励介质的防渗漏壳体(1)和一个用于激光辐射输出的窗(2)。壳体(1)中容纳一个由反射镜(3)和(4)构成的谐振腔，在这两个反射镜之间放置两个平置反向的长条形电极(6)和(7)，形成一个缝隙放电间隙(5)，电极连着高频发生器(8)。

在放电间隙(5)侧的电极(6)和(7)表面上以沟槽(9)的形式形成凹槽，它们垂直于该放电间隙(5)的光轴(激光光轴)。沟槽(9)沿着缝隙放电间隙(5)间隔开，以便形成一个空间结构，充当用于激光辐射选模的空间滤波系统。而且，激光辐射的空间滤波效率取决于沟槽(9)的宽度和深度以及它们的间距。

在所述的气体激光器中，已经对电极(6)和(7)表面进行了光学特性处理，以减少辐射损耗。光在沟槽(9)内像在自由空间传播一样，所选择的沟槽(9)的型面使得返回该放电间隙(5)中的光量最小，在放电间隙(5)中的光辐射传播就像在波导中传播一样。放电间隙(5)的波导中所产生的模进入自由空间，在沟槽(9)的入口处衍射而受到衍射损失，由于高阶模所损失的能量比主模更多，所以，对光模放大越多，模数越高。

基于上述事实，在以预设指令排布沟槽(9)使其实现激光辐射模式的空间过滤的情况下，波导和在内电极空间-放电间隙(5)中光的自由传导方式的多次重复使其能实现激光辐射主模的选择。

应当优化由一系列沟槽(9)所形成的空间滤波系统，以使其提供高组分的辐射主模，且在谐振腔中的传播过程中辐射能量损耗低，这将使激光束发散度最小。这可以通过考虑放电间隙的具体参数值(长度和高度)而设置沟槽(9)的设计数量、它们的排布方式和它们的几何参数来实现。

在确定激光辐射模式的空间滤波系统参数时，需要考虑以下因数。在具有不稳定负枝非稳谐振腔的紧凑型缝隙激光器中，其激励介质长度短，辐射模式成分很大程度上还依赖于谐振腔镜的曲率和放电间隙高度，根据预定的谐振器长度选择上述的腔镜曲率且该曲率较大。在谐振腔镜曲率很高的情形下，主模将随着曲率的增加而被大大衰减，从而这种模式的相当一部分能量(达35％)转换成高阶发生模—第三、第五、第七(图2)。

由于选择适当的放电间隙高度，使得反射镜曲率对激光辐射模组分的影响的一般趋势为减弱。对比图2和图3可知，对于具有半径R＝1m的谐振腔镜，当缝隙高度从0.4cm(图2)减到0.2cm(图3)时，主模的能量损失被大大降低，且约有1％的主模能量转换成高阶发生模。

当设有以形成光自由传播条件的沟槽(9)时，如图4所示，主模将在该自由传播路径中损失约0.01％的能量(曲线1)，且第三阶和第五阶模(分别由曲线3和5表示)的衰减更为突出——其比主模约高一个量级。这些计算是基于具有以下特性的、含有不稳定负枝非稳谐振腔的缝隙激光器的典型实例而得出的：

·电极(6)和(7)的长度为60cm；

·放电间隙(5)缝的高度为0.2cm；

·谐振腔镜(3)、(4)与电极(6)、(7)端部的间距为0.4cm；

·谐振腔的放大系数为1.17；

·空间滤波系统含有10个沟槽(9)，它们垂直于该激光器的光轴；

·沟槽(9)的宽度和深度为0.2cm。

对于上述典型实例，图5中示意了在不采用空间滤波器(曲线1)和采用空间滤波系统(曲线2)的情况下放电间隙(5)的缝的横向截面中(近场)辐射强度分布I(x)的计算结果，其中所采用的空间滤波系统由在电极(6)和(7)上研磨出的10个沟槽(9)构成，上述的结果表明：在不考虑高阶模能量的情况下，以相对于总能量的百分比所表示的辐射模的能量组成Ei可以由下表(表1)表示出，其中Ei(选择)，Ei(无选择)分别表示对主模是否进行选择的Ei目标值：

                               表1

    模数，i                   Ei(选择)，％           Ei(无选择)，％

    1(主模)                      99.3                    65.7

      3                          0.2                     2.3

      5                          0.2                     27.7

      7                          -                       0.9

对于较少数量的沟槽所形成的激光辐射模的空间滤波系统而进行的模式选择也可以得到相似的结果。

表2中给出了通过由10个和5个以及没有沟槽所组成的系统进行模式选择而得出的对比数值，它们以由10个沟槽所组成的系统中辐射的主模能量为1的形式来表示所计算出的主模和第三阶模的能量值。

                       表2选择类型                第I模式的能量，相对单位

          I＝1         I＝3         i＝5        I＝7

         (主模)不进行模式选  0.80         0.22         0.04        0.01择进行模式选择  0.93         0.08         0.03        0.065个沟槽进行模式选择  1            0.08         0.04        0.0210个沟槽

由此可见，由5个沟槽构成的空间滤波系统也表现出对激光辐射主模进行令人满意的选择和对高阶模进行过滤的可能性。

根据上面的评判，由它们所形成的空间系统中的沟槽(9)可以相应于0.05-0.2的电极长度而间隔设置，并保持经主模选择后所显现出的特性。

在确定激光辐射特性中一个最重要的因数之一在于激光束的发散性，这可能是因辐射中的模组分和装置偏离即谐振腔镜相对于激光光轴的偏离所致。

图6中示意了激光辐射的远场能量W的角度分布与近场中模强度分布(图5)相对应的计算结果。所给的曲线(图5)表明在不进行主模选择的情况下(曲线1)，激光辐射的角度分布有一个较长的“尾”；另外，(图6，曲线1)超过30％的辐射能量集中在较大的角度范围内(大于20mrad)，且没有变成有用的激光辐射。在进行模式选择的情况中，小角度范围内的辐射能量明显大得多(图6，曲线2)。

所以，利用缝隙激光器谐振腔内的电极表面上制作的、以沟槽形式出现的空间滤波系统可以显著地改善模成分并减少激光束的发散。能使光自由传播的沟槽的几何参数，即它们的宽度和深度选在0.1-0.5cm范围内，如果这些参数超出了特定的限制，则将会降低对激光辐射模式的空间滤波有效率。

通过在与激励介质相接触的所有激光器元件表面上设涂层(图1中未示出)就可以减小本发明的缝隙激光器中激光激励介质的分解速率，其中所述的涂层由厚度为(1-5)μm的纯铝膜Al制成，上述的激光器元件表面不包括谐振腔镜和输出窗的工作表面，因为通常它们都具有特殊的多层干涉涂层。

此外，已经选择这样的膜作为纯铝膜，它是通过在其蒸汽压等于1-10Pa的被蒸发的液氦He流中的纯铝热蒸发而沉积到表面上所得到的，对该表面的溅射温度为300-450℃，膜的沉积速率为每秒1-10个单层。

这样所获得的膜具有至少99.99％的纯度，其厚度为1-5μm，Al的平均晶粒尺寸不小于1μm。

上述气体流中的溅射过程(扩散溅射)具有以下所述的对激光器后续过程非常重要的特性：

1、氦He流为溅射腔体提供连续“冲洗”，由此可大大减少杂质流附着到被溅射表面上，所说的杂质是由溅射腔的结构元件所放出的气体和从排气泵排出的反向气流而引起的。

2、蒸发的液氦He流中的溅射过程的特征在于特别的纯净条件，作为其中微量杂质中主要成分的氢H的浓度不超过10-10％，且微量杂质的分压等于10-10Pa，而在通常的真空膜溅射过程中剩余气体的压力也等于10-10Pa。由于它具有很高的流动性和化学惰性，氦原子很容易从膜上扩散出去，且不会抑制所溅射的铝的晶体生长。

3、在溅射过程中氦(He)原子的一般自由程约等于1cm，所以在扩散云中被溅射的金属原子会受到多次散射、损失能量，改变运动方向，从而在具有最复杂形状的部件上形成均匀的表面涂层。为获得其晶体尺寸大于1μm的膜，在进行涂覆时，其溅射表面的温度应低于所溅射金属的熔融温度。

4、由于发生多次散射，金属原子沉积到具有由所述气体热能所决定能量的表面上。而且，可获得与表面有限的、轻微的相互作用，因而金属原子不会穿过表面晶格，且有机会以最小的势能占据晶格中的理想位置，这决定了以缺陷数量最少和生成稠密连晶边缘而生成大晶体的可能性。

所生成的晶体具有约1-3μm的平均尺寸；而且涂层相对于用于激光器结构的各种材料(铜、钢、钛、铝合金、铜合金等)来说具有很高的粘性。所作的测试表明：通过扩散溅射技术由纯铝而得的涂层对于水、氧、二氧化碳、氧化氮、氢氧化物等蒸汽具有吸附-解吸性能，但与激光器结构中所用的钢、铜、铝、钛和其他材料相比，要小3-4个量级。由铝所制的涂层为溶于金属中的气体尤其是氢放射到激光器激励介质的过程形成了一个势垒，在给激光器通过气体混合进行充气时以及在分裂型激光器运行过程中，它能使激励气体介质达到特定的纯度。而且，由于铝具有很好的催化特性，所以该涂层能使二氧化碳CO₂分子在几乎所有激光器内部元件的组合表面上更为有效地还原。

在位于放电间隙(5)和电极(6)、(7)上形成的沟槽(9)侧的电极(6)和(7)的内表面上形成涂层特别地重要。因为：在放电区域中被激活的分子和它们的分解物的浓度最大，而且由于晶体在放电区域的表面有效催化复合的事实，使得催化表面积直接在放电区域中明显增加。

与通过公知的真空溅射方法在5×10^-4Pa压力下所制得的膜相比，由涂层扩散溅射而得的晶体的改进结构几乎使其在红外区域对光散射、反射时增加了三倍的反射能力。在铝膜表面形成的、厚度约1-3nm的化学惰性氧化铝稠密层提供了长期运行时涂层的保护特性，尤其是它的反射性能，并避免了电极氧化。

上述特性使得气体介质性质直接在放电区域中被稳定，并提高了分裂型激光器激励介质的使用寿命。

本发明的实施例

为进行实验测试本发明，使用了两个气体缝隙激光器，其中一个具有传统结构，不可能进行谐振腔内模式选择，而另一个激光器含有一个用于进行激光辐射模式选择的谐振腔内空间滤波系统。

这种空间滤波系统由10个等间隔的沟槽形成，每个沟槽的宽度和深度等于0.2cm。

所述的沟槽(9)已在电极(6)和(7)表面刻制而成，其长度等于60cm，它们位于放电间隙(5)侧，并垂直于激光器光轴。

放电间隙(5)的缝高等于2cm。作为有效选择激光辐射主模的一个特性，已经选好了激光束的发散度，这种特性的实验检测误差没有超过10％。

这两个激光器所传导的全部辐射能量的检测结果表明：在总能量水平的0.86处，具有空间滤波系统的激光辐射的发散度约为20％，小于对比装置中的发散度，这证明了所作改进的有效性。

工业应用性

气体缝隙激光器中的改进与引入一个激光辐射空间滤波系统和在激光器表面的工作区设纯铝制得的高反涂层相关，由于进行了激光辐射主模的选择和对高阶模的衰减，使得激光辐射输出束的性能得到了改善，并使得激光器中的气体介质保持高纯度和高质量，两方面的共同作用保证了激光发射束的小发散角和该装置的长使用寿命。

Claims (4)

1.一种高频缝隙型气体激光器，它包括一个盛装气体激励介质的防渗漏壳体(1)和用于激光辐射输出的窗(2)，一个谐振腔设于该壳体内且具有反射镜(3)、(4)，在所述的反射镜(3)、(4)间相对放置长条形电极(6)和(7)，它们形成一个缝状放电间隙(5)，所述的电极(6)和(7)与一个高频发生器(8)相连并具有涂层，其上形成多个放电凹槽；所述的激光器的特征在于：所述的凹槽是以沟槽(9)的形式制成的，它们垂直于该激光器的纵向光轴，且相互间隔而形成一个用于进行激光辐射模式选择的空间滤波系统；而且，上述沟槽的几何参数以及它们的间距能满足低阶辐射模优选产生的条件。

2.一种如权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的沟槽(9)所具有的宽度和深度在0.1-0.5cm范围内，且相互的间距为所述电极长度的0.05-0.20。

3.一种如权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的涂层是纯铝Al膜制得，其厚度为1-5μm，并且，除了谐振腔镜(3)和(4)的工作表面以及用于激光辐射输出的窗(2)以外，在与所述激励介质相接触的所有激光器元件表面上都设有这种涂层。

4.一种如权利要求3所述的激光器，其特征在于：对于铝膜，采用的是这样一种膜，它是通过在蒸汽压等于1-10Pa的被蒸发的液氦He流中的纯铝热蒸发而沉积到溅射表面上所得到的，溅射表面的温度为300-450℃，铝膜沉积到上述表面的速率为每秒1-10个单层。

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