CN1604404A - 一维全金属板条波导气体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种一维全金属板条波导气体激光器，具有设置在金属真空腔内的板条波导气体放电区和光学谐振腔；气体放电区包括金属上、下电极及与其绝缘的金属支撑块；金属上电极之上依次绝缘设置有金属衬板和金属压板；金属下电极之下设有金属托板；金属上电极与和外电源相连的电极连接杆连接；光学谐振腔的输出镜和反馈镜分别设置在气体放电区的两端，激光输出窗口设在真空腔上。因采用全金属波导部件，导热性好，工艺简单，可降低成本；并能避免在现有二维板条波导中，因高阶波导模效应而产生的激光输出强度分布的调制现象，从而提高了光束质量。

Description

一维全金属板条波导气体激光器
技术领域
本发明属于波导气体激光技术，特别是涉及一种一维全金属板条型波导气体激光器
背景技术
射频横向气体放电技术与光学波导技术的结合，推动了波导CO2激光器技术的迅速发展。在过去的十几年里，射频横向激励单波导CO2激光器技术经历了从全陶瓷波导结构、陶瓷与金属夹心波导结构到全金属波导结构的发展过程.在全陶瓷波导结构中(见图1A)，方形波导是由两个真空陶瓷侧壁33和两个真空陶瓷夹板34构成，置于二个金属电极32之间，高频电源31与金属电极32连接，放电激励在波导内形成一增益通道区。全陶瓷波导结构的优点是光波损耗小。随着波导CO2激光器技术的发展，为了提高增益冷却效果及降低成本和简化结构，金属与陶瓷夹心波导结构被提了出来(见图1B)。在金属和陶瓷夹心波导结构中，二个金属电极32和二个真空陶瓷侧壁33构成了波导放电激励通道，高频电源31与金属电极32连接。为了更进一步降低器件成本以及易模块化生产，1988年美国Synrad公司提出一种射频激励大口径全金属通道CO2激光器技术，公开于《激光论坛，Laser Focus》pp44-48，April，1998(见图1C)。在这种技术中，气体放电通道是由两个表面绝缘层的金属侧壁36和两个表面绝缘层的金属电极37构成的，表面绝缘层的金属侧壁36与金属外壳35相连接，高频电源31与两个表面绝缘层的金属电极37连接，两个金属电极37相位差180度，形成四电极放电形式。1991年北京理工大学的辛建国等人研制成一种射频横向二电极放电激励全金属波导结构CO2激光器技术，公开于《应用物理快报，Applied Physics Letters》，Vol.59(26)，p3363，1991.(见图1D).在这种结构中，两个金属电极32和两个表面绝缘层的金属侧壁36构成波导气体放电通道波导，在两个表面绝缘层的金属侧壁36与两个金属电极32间留有厚0.1mm的气体间隙，根据气体放电的巴邢原理，在极小气体间隙间的气体击穿电压较高，并且该结构中气体间隙间的电压仅为两个金属电极32间电压的二分之一，因而适当设计波导通道尺寸，可将气体放电激励限制在波导通道内。
国际上目前报道的拥有射频激励全金属CO2激光器技术的仅两家，美国Synrad公司的射频激励四电极大口径全金属通道CO2激光器和北京理工大学的射频横向激励二电极全金属波导结构CO2激光器。
但到目前为止，国内外所报道的面增比(Area Scaling)板条型波导射频激励扩散型冷却CO2激光器均采用的是金属与陶瓷夹心结构。从技术上说，金属与陶瓷夹心结构波导射频激励扩散型冷却CO2激光器利用陶瓷来电隔离放电电极，以使在金属与陶瓷夹心结构的波导内产生气体放电形成增益区，这种金属与陶瓷夹心结构的制造工艺较为复杂；而全金属波导结构射频激励扩散型冷却CO2激光器利用气体放电的巴邢原理和电压分压原理，将气体放电抑制在全金属波导内形成增益区。这两种技术的增益区形成原理不同。
现有的板条波导激光器结构均为二维波导结构。在现有的二维板条型波导结构中，在波导横截面的平行于电极方向上会产生高阶波导模效应，使得激光输出光束强度分布在该方向产生调制现象，进而影响了光束质量。
发明内容
本发明为克服现有板条波导气体激光器结构复杂，并且在二维板条型波导结构中会产生高阶波导模效应而影响光束质量的问题，提出了一种一维全金属板条波导气体激光器。
本发明的一维全金属板条波导气体激光器，具有一金属真空腔，及设于该真空腔内的一板条波导气体放电区和一光学谐振腔，气体放电区包括金属上电极，金属下电极，设置在金属上电极和金属下电极之间的至少两个金属支撑块，和在金属支撑块与金属上、下电极之间的沿电极长度方向的至少两个以上的陶瓷绝缘片，陶瓷绝缘片使金属上电极和金属下电极之间隔离，形成分压电绝缘隔离；金属下电极置于一金属托板之上，该金属托板与金属真空腔下部内壁紧密接触；在金属上电极之上依次设置有一金属衬板和一金属压板，在金属衬板与金属上电极和金属压板之间设置有至少两个陶瓷绝缘片使其间形成电绝缘隔离；金属压板和金属真空腔上部内壁紧密接触；金属上电极与一电极连接杆连接，电极连接杆穿过一真空隔离绝缘衬套与金属真空腔外的电源相连；光学谐振腔包括一输出镜和一后反馈镜分别设置在气体放电区沿电极长度方向的两端；在真空腔上封接有一激光输出窗口。
本发明是一种一维全金属板条波导激光器结构，利用气体放电的巴邢原理和电压分压技术，采用射频横向气体放电激励在一维金属板条波导内形成激光增益。构成一种射频横向气体放电激励的一维板条全金属波导气体激光器。该种激光器与陶瓷结构波导及金属和陶瓷夹心结构波导激光器相比，可降低器件成本和可形成模块化生产。由于本发明是一种一维板条波导激光器结构，无波导侧壁，从原理上消除了在波导横截面的平行于电极方向上产生的高阶波导模效应，使得激光输出光束强度分布在该方向不再产生调制现象，从而提高了激光输出光束质量。
附图说明
图1A现有气体激光器中全陶瓷单通道波导结构
图1B现有气体激光器中金属与陶瓷夹心结构
图1C现有气体激光器中全金属四电极大口径通道结构
图1D现有气体激光器中全金属方波导结构
图2A本发明的一维全金属板条波导结构横截面示意图
图2B本发明的一维全金属板条波导结构另一实施例的横截面示意图
图2C本发明的一维全金属板条波导结构又一实施例的横截面示意图
图3A是图2A所示本发明的一维全金属板条波导结构的纵向截面示意图
图3B是图2B所示本发明的一维全金属板条波导结构的纵向截面示意图
图3C是图2C所示本发明的一维全金属板条波导结构的纵向截面示意图
图4.一维全金属板条波导结构等效电路示意图
图5.板条状增益区与离轴虚共焦非稳腔的组合示意图
具体实施方式
本发明的一维全金属板条波导激光器，其结构由图2A，图2B，图2C，和图3A，图3B，图3C，所示。金属上电极1，金属下电极2和金属支撑块3构成板条波导气体放电区13(高H＝0.2-8毫米，宽W＝2-500毫米)，即激光增益区。金属下电极2置于金属托板4之上。金属上电极1和金属下电极2之间构成的矩形空间没有侧壁，形成一个沿电极纵向方向的一维板条波导。在该波导内，金属上电极1和金属下电极2对垂直于电极方向的光波场有导波效应，而在平行于金属上电极1和金属下电极2的方向，由于无侧壁边界，没有导波效应，光波场以自由空间模式传播，因而是一维波导。金属上电极1和金属下电极2之间形成一个板状电容C(见图4)。还可以通过在金属上电极1和金属托板4之间沿电极纵向方向均匀分布连接数个匹配电感9，匹配电感9和板状电容C是并联连接，以此用以改变金属上电极1和金属下电极2之间形成的板状容抗参数，使得施加在金属上电极1和金属下电极2之间的高频电磁波更易产生气体放电。金属托板4与金属真空腔12内壁紧密接触。金属支撑块3置于金属上电极1和金属托板4之间，通过沿电极纵向方向的数个陶瓷绝缘片7(厚0.1-6毫米)在金属上电极1和金属托板4间形成电绝缘隔离(见图2A)。
本发明的板条波导也可以采用如图2B所示的结构，即将金属上电极1制作成两侧边凹平台、中间部分凸平台，将金属支撑块3置于金属上电极1两侧边凹平台和金属下电极2之间，通过沿电极纵向方向的数个陶瓷绝缘片7(厚0.1-6毫米)在金属上电极1和金属下电极2间形成电绝缘隔离。
本发明的板条波导还可以采用如图2C所示的结构，即将金属上电极1制作成两侧边凹平台，中间部分凸平台，将金属支撑块3置于金属上电极1两侧边凹平台和金属托板4之间，通过沿电极纵向方向的数个陶瓷绝缘片7(厚0.1-6毫米)在金属上电极1和金属托板4间形成电绝缘隔离。
上述结构在金属支撑块3与金属上电极1和金属下电极2之间形成电容C1和C2(见图4)。当在金属上电极1和金属下电极2之间施加一个高频电场时，C1和C2上的电压之和等于金属上电极1和金属下电极2之间的电压，因此当金属上电极1和金属下电极2之间产生气体放电时，金属支撑块3与金属上电极1和金属下电极2之间不会产生气体放电现象。金属支撑块3的侧面与金属上电极1和金属下电极2之间的距离为0.2-6mm。金属衬板5与金属上电极1和金属压板6之间通过沿电极纵向方向的数个陶瓷绝缘8(厚0.1-6毫米)与金属上电极1和金属压板6间形成电绝缘隔离，并在金属衬板5与金属上电极1和金属压板6之间形成电容C3和C4(见图4)。当在金属上电极1和金属下电极2之间施加一个高频电场时，C3和C4上的电压之和等于金属上电极1和金属下电极2之间的电压，因此，根据巴邢原理和电压分压原理，当金属上电极1和金属下电极2之间产生气体放电时，金属衬板5与金属上电极1和金属压板6之间不会产生气体放电现象。金属压板6和金属真空腔12内壁紧密接触。金属上电极1与电极连接杆10连接，电极连接杆10穿过真空隔离绝缘衬套11与金属真空腔12外的高频电源相连。在金属上电极1与金属下电极2之间施加一个射频电磁功率源形成气体放电激励，可形成板条型激光增益体积，与光学谐振腔结合，可获得有效的激光功率输出。
光学谐振腔输出镜片14安装于输出镜片金属固定架15内，输出镜片金属固定架15通过输出镜架金属调节螺杆17与输出镜架金属调节支撑架16相连接，输出镜架金属调节支撑架16固定在金属托板4上(如图3所示)。光学谐振腔后反馈镜片18安装于后反馈镜片金属固定架19内，后反馈镜片金属固定架19通过后反馈镜架金属调节螺杆21与后反馈镜架金属调节支撑架20相连接，后反馈镜架金属调节支撑架20固定在金属托板4上。激光输出窗口22真空封接在真空腔12前端面板上(如图3所示)。
下面给出本发明的一个具体实施例。
金属上电极1，金属下电极2，金属支撑块3，金属托板4，金属衬板5，金属压板6，输出镜片金属固定架15，后反馈镜片金属固定架19，输出镜架金属调节支撑架17和后反馈镜架金属调节支撑架21均由防锈铝合金制成，陶瓷绝缘薄7和8由Al2O3真空瓷制成，电极连接杆10和匹配电感9由金属铜制成，金属真空腔12由锻铝合金制成。输出镜架金属调节螺杆16和后反馈镜架金属调节螺杆20由铜合金制成。
金属中心电极1长L1为386毫米，宽W1为40毫米和高H1为20毫米。金属下电极2长L2为386毫米，宽W2为20毫米和高H2为18毫米。金属支撑块3长L3为386毫米，宽W3为9毫米和高H3为20毫米。金属托板4长L4为486毫米，宽W4为80毫米和高H4为19.6毫米。金属衬板5长L5为386毫米，宽W5为30毫米，高H5为15毫米。金属压板6长L6为386毫米，宽W6为30毫米，高H6为15毫米。陶瓷绝缘薄片7和8是直径为8毫米，厚度为0.1毫米的圆形薄片。匹配电感9是8个直径为1mm的铜丝绕成外经为10mm，圈数为4圈，每圈间隔为2mm的螺旋管状电感，沿电极纵向方向均匀分布置于金属上电极1和金属托板4之间。金属真空腔12长L7为500毫米，外宽W7为110毫米，外高H7为110毫米，内宽W8为90毫米，内高H8为90毫米。
光学谐振腔是一个离轴虚共焦非稳腔，光学谐振腔输出镜片14是一个离轴凸面反射镜，曲率半径r为3280毫米；光学谐振腔后反馈镜片18是一个离轴凹面反射镜，曲率半径R为4100毫米；光学谐振腔腔长Lg为410毫米(见图5)。
将由金属上电极1，金属下电极2，金属支撑块3，金属托板4，金属衬板5，金属压板6，陶瓷绝缘薄片7和8，匹配电感9，和电极连接杆10构成的组件固定于金属真空腔12内。以此形成一个高H为2毫米，宽W为20毫米的一维全金属板条波导气体放电区13(见图2和图3)。
通过从电极连接杆10输入射频功率，在一维全金属板条波导气体放电区13产生射频气体放电激励，可形成板条型激光增益体积，与光学谐振腔结合(见图5)，可获得有效的激光功率输出23。
在本发明结构中，由于一维板条波导是全金属板条波导，所以其具有良好的导热性和低成本的优势。当采用铝合金等金属材料时，其零部件可采用挤压成型的工艺，可实现模块化生产，进一步降低成本。与以往的全陶瓷波导结构激光器件或金属与陶瓷夹心波导结构激光器件相比，有着成本低的较大优势。与以往的全金属波导结构激光器件相比，其结构更为简单，导热性能进一步提高。此外由于是一维板条波导结构，无波导侧壁，消除了在波导横截面的平行于电极方向上产生的高阶波导模效应，使得激光输出光束强度分布在该方向不再产生调制现象，从而提高了激光输出光束质量。

Claims (10)

1、一种一维全金属板条波导气体激光器，具有一金属真空腔，及设于该真空腔内的一板条波导气体放电区和一光学谐振腔，其特征在于：
气体放电区包括金属上电极，金属下电极，设置在金属上电极和金属下电极之间的至少两个金属支撑块，和在金属支撑块与金属上、下电极之间的沿电极长度方向的至少两个以上的陶瓷绝缘片，陶瓷绝缘片使金属上电极和金属下电极之间隔离，形成分压电绝缘隔离；金属下电极置于一金属托板之上，该金属托板与金属真空腔下部内壁紧密接触；在金属上电极之上依次设置有一金属衬板和一金属压板，在金属衬板与金属上电极和金属压板之间设置有至少两个陶瓷绝缘片使其间形成电绝缘隔离；金属压板和金属真空腔上部内壁紧密接触；金属上电极与一电极连接杆连接，电极连接杆穿过一真空隔离绝缘衬套与金属真空腔外的电源相连；
光学谐振腔包括一输出镜和一后反馈镜分别设置在气体放电区沿电极长度方向的两端；在真空腔上封接有一激光输出窗口。
2.根据权利要求1所述的一维全金属板条波导气体激光器，其特征在于：所述金属支撑块的下端经陶瓷绝缘片隔离设置在与金属托板上。
3、根据权利要求1所述的一维全金属板条波导气体激光器，其特征在于：在金属上电极和金属托板之间连接至少两个电感。
4.根据权利要求2所述的一维全金属板条波导气体激光器，其特征在于：在金属上电极和金属托板之间连接至少两个电感。
5、根据权利要求1至4之一所述的一维全金属板条波导气体激光器，其特征在于：光学谐振腔输出镜片安装于输出镜片金属固定架内，输出镜片金属固定架通过输出镜架金属调节螺杆与输出镜架金属调节支撑架相连接，输出镜架金属调节支撑架固定在金属托板上，光学谐振腔后反馈镜片安装于后反馈镜片金属固定架内，后反馈镜片金属固定架通过后反馈镜架金属调节螺杆与后反馈镜架金属调节支撑架相连接，后反馈镜架金属调节支撑架固定在金属托板上。
6、根据权利要求1至4之一所述的一维全金属板条波导气体激光器，其特征在于：激光增益区的高H为0.2-8毫米，宽W为2-500毫米；金属支撑块的侧面与金属上电极或金属下电极之间的距离为0.1-6毫米；陶瓷绝缘片厚0.1-6毫米。
7、根据权利要求5所述的一种全金属板条波导气体激光器，其特征在于：激光增益区的高H为0.2-8毫米，宽W为2-500毫米；金属支撑块的侧面与金属上电极或金属下电极之间的距离为0.1-6毫米；陶瓷绝缘片厚0.1-6毫米。
8.根据权利要求1至4之一所述的一维板条波导气体激光器，其特征在于：金属下电极与金属托板可构成一整体部件。
9、根据权利要求1至4之一所述的一维全金属板条波导气体激光器，其特征在于：金属上电极的形状为两侧成凹平台、中间成向下凸平台，金属支撑块的上端经陶瓷绝缘片隔离与金属上电极的两侧边凹平台接触。
10、根据权利要求5所述的一维板条波导气体激光器，其特征在于：金属上电极的形状为两侧成凹平台、中间成向下凸平台，金属支撑块的上端经陶瓷绝缘片隔离与金属上电极的两侧边凹平台接触。
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