CN209150477U - 一种利于气体冷却的二氧化碳激光器谐振腔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利于气体冷却的二氧化碳激光器谐振腔，解决了现有封离型激光器放电管中心气体冷却效果不好，激光功率较低稳定性较差，模式差，寿命短的问题，本实用新型包括利储气管、设在储气管内部的放电管、一端连通放电管内部的回气管，设在放电管两端的放电环、套设在放电管外部的水冷套，放电管内壁上设有若干环形突起，环形突起沿放电管轴向分布。利用气体流经环形突起时产生的大量涡旋扰动放电管中心气体，使气体冷却均匀，提高激光器寿命和激光功率。与此同时，环状突起阻断放电管内壁金属膜镀层产生的不规则光折射，降低杂模与主模竞争，提高激光功率和激光光束质量。

Description

一种利于气体冷却的二氧化碳激光器谐振腔

技术领域

本实用新型涉及一种光学谐振器，尤其是涉及一种利于放电管内气体冷却均匀的二氧化碳激光器谐振腔。

背景技术

二氧化碳激光由于具有功率大、转换效率高、光学质量高、相干性好等优点被广泛地应用在材料加工、医疗辅助、军事武器、环境测量等各个领域。用于产生二氧化碳激光的装置是二氧化碳激光器，二氧化碳激光器是分子气体激光器，它是通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一种激光器。按照封装方式分类，二氧化碳激光器可分为流动型和封离型两种，目前的封离型二氧化碳激光器通常包括激光管外壳、储气室、放电管、套设在放电管外部的水冷套、设置在放电管两端的电极、以及设置在激光管外壳两端的谐振腔尾部反射镜和谐振腔出光透镜。在工作时，需要在放电管电极上施加高压，放电管中气体分子经过一系列复杂过程发生能级跃迁，激发出某些固定波长的激光，经谐振腔尾部反射镜和谐振腔出光透镜反射后形成激光束，从输出镜片中射出。在现有技术中，二氧化碳激光器虽然转换效率很高，公认的可达40%，但是更多的能量会转化为气体的内能，使得激光谱线变宽，特别是温度升高可使气体分子分解，降低激光管的使用寿命，由此可知，对于放电管内气体的冷却成为本领域的技术难题。

一般地，现有的二氧化碳激光器放电管材质为硬质玻璃，放电管内壁较为光滑，为了提高激光器功率与改善气体催化效果，人们会在放电管内壁上镀纳米金属膜，虽然功率方面有了一定的提高，但是，这种放电管存在两个问题，第一，由于金属膜镀层的反射作用，使得放电管内不规则激光形成相对于轴向的不规则折射，产生杂模，杂模与主模相互竞争，所以这就造成了主模功率下降的问题，使其达不到镀膜后功率提升的最佳效果；第二，由于放电管内部比较光滑，在放电过程中，管内气体流动较为平滑，甚至可近似于层流状态，在该流动状态下，放电管中心部分气体的冷却效果远远低于贴近管壁边界层附近的气体，所以这就造成了冷却气体的空心化和激光模式的空心化，并且激光管内气体分解加快，使得放电管使用寿命降低。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种新型封离型二氧化碳激光器”，其公告号CN 207651790 U，包括激光管外壳、储气室、内壁上镀有纳米金属镀层的放电管、冷却系统、激光管尾部法兰和激光管出光口法兰，激光管尾部法兰连接有谐振腔尾部反射镜，激光管出光口法兰连接有谐振腔出光透镜，放电管位于激光管外壳内部，冷却系统环绕于放电管外表面，它的特征是：放电管尾部一端采用波纹管结构，该放电管尾部一端与激光管尾部法兰一端密封连接。上述的这种二氧化碳激光器由于其放电管内壁金属镀层的反射作用，所以造成了激光的各种模式相互竞争，进而主模功率下降的问题，除此之外，虽然其在放电管外部设置了冷却系统对气体冷却，但管内气体仍存在着冷却不均匀的问题。

实用新型内容

本实用新型是为了克服现有封离型二氧化碳激光器的放电管中气体冷却不均匀的问题与在放电管内壁金属膜作用下产生的杂模问题，提供一种利于放电管内气体均匀冷却、减少杂模影响的新型二氧化碳激光器谐振腔。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种利于气体冷却的二氧化碳激光器谐振腔，包括储气管、设在储气管内部的放电管、一端连通放电管内部的回气管，设在放电管两端的放电环、套设在放电管外部的水冷套、全反射镜、输出反射镜，放电管内壁上设有若干环形突起，环形突起沿放电管轴向分布。这些环形突起的中轴线与放电管的中轴线重合。

在本实用新型中，储气管、全反射镜、输出反射镜共同构成一个封闭空间，即谐振腔，充有二氧化碳与辅助性气体；放电环通过导线与外界电极相连接，放电管深入到储气管中的一端为敞开状态为敞口端，对应的另一端连接法兰与输出反射镜，被输出反射镜密封，为密封端。在工作时，在两电极上施加电压，放电管内的气体从敞口端流向密封端，密封端连接有回气管，回气管的另一端开口与储气管连通，当气体在放电管中流至密封端时可通过回气管在此返回至储气管，一般地，气体在放电管中流动较为平滑，近似地可以认为处于层流状态，对于现有激光器的放电管而言，一般冷却方式为水冷，即在放电管外侧套设水冷套，水冷套设有进水口与出水口，在工作状态下，水冷套中冷却水处于流动状态，放电管内的气体通过管壁与冷却水进行对流换热，在放电管内，流体边界层中具有较大的速度梯度与温度梯度，边界层的存在大大阻碍了气体与冷却水之间的对流换热，而本实用新型在放电管内壁上设置了若干的环形突起，这种环形突起可以破坏边界层，阻碍边界层的形成，而且，当管内贴近管壁的气体流经这些环形突起时会形成类似于卡门涡街的环状涡旋，涡旋对管内气体产生扰动，使得靠近中心的气体也实现了快速冷却，进而实现管内气体的均匀冷却。除此之外，在工作时，由于放电管内壁金属镀层对管中不规则激光的作用，使谐振腔中产生相对于放电管轴线方向的不规则折射，这种影响会使激光中产生杂模，杂模与主模相互竞争，进而引起功率下降，而本实用新型设置的环形突起可以遮蔽这种不规则折射，从而减少杂模产生，提高了光束质量与激光管功率。

作为优选，环形突起的截面为长方形。长方形截面的环形突起对气体的扰动效果更好，即使得管内气体冷却更加均匀。

作为优选，回气管螺旋环绕在水冷套的外侧壁上。螺旋环绕在水冷套上的回气管增加了气体与冷却水的对流换热有效面积，使得气体在回气管中得到进一步地冷却。

作为优选，储气管一端设有全反射镜法兰，对应的另一侧设有输出反射镜法兰，全反射镜法兰与全反射镜相连接，输出反射镜法兰与输出反射镜相连接。采用法兰连接可以降低工作中激光管因而发生热胀冷缩现象对反射镜的影响。

因此，本实用新型具有如下有益效果：

（1）利于放电管内气体冷却均匀，提高激光功率，延长激光管使用寿命；

（2）减少杂模的影响，提高光束质量，提高激光功率。

附图说明

图1是本实用新型的一种结构示意图。

图2 是本实用新型的放电管局部纵剖示意图。

图中：1、输出反射镜 2、输出反射镜法兰 3、回气管 4、水冷套 5、储气管 6、放电环 7、全反射镜法兰 8、全反射镜 9、电极 10、出水管 11、放电管 12、进水管 13、环形突起。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

如图1、图2所示的实施例中，一种利于气体冷却的二氧化碳激光器谐振腔，包括储气管5、设在储气管5内部的放电管11、一端连通放电管11内部的回气管3，设在放电管11两端的放电环6、套设在放电管11外部的水冷套4、全反射镜8、输出反射镜1，放电管11内壁上设有若干环形突起13，环形突起13沿放电管11轴向分布，环形突起13的截面为长方形；放电管11一端深入到储气管5中且处于敞开状态与储气管5相连通作为敞口端，与敞口端相对应的另一端设有输出反射镜1与输出反射镜法兰2，该端被输出反射镜1密封作为密封端，在放电管11的密封端与回气管3相连通，回气管3的另一端敞开，回气管3螺旋环绕在水冷套4的外侧壁上；水冷套4设有出水口10与进水口12，值得注意的是，在工作时，水冷套4中的水流方向与放电管11中的气体流动方向相反；在放电管11两端的放电环6通过导线与外部电极9电连接；储气管5一端设有全反射镜法兰7，对应的另一侧设有输出反射镜法兰1，全反射镜法兰7与全反射镜8相连接，输出反射镜法兰2与输出反射镜1相连接。上述的储气管5、输出反射镜1、全反射镜8共同构成密封空间，即谐振腔，谐振腔内充有二氧化碳与辅助气体。

本实用新型在工作时，通过进水口12与出水口10与外部冷却水循环系统相连接，开启冷却水循环系统，使水冷套4中冷却水处于均匀流动且无气泡状态，此时，可以使放电管11工作，即通过电极9在放电环6上施加电压，放电管11内气体受力自放电管11敞口端流向密封端，在放电管11中，气体处于近似于层流的平滑流动状态，设置在放电管11内壁上的环形突起13破坏流体边界层并阻碍其形成，靠近管壁的气体流经环形突起13时形成涡旋，涡旋对放电管11中部气体造成扰动，进而使得中部气体也得到均匀的冷却，降低放电管11温度，除此之外，环形突起13蔽了放电管11内壁金属膜镀层对放电管11内不规则激光形成的相对于激光管两端纵向的不规则折射，减少杂模产生，和杂模与主模的竞争引起的功率下降，提高了激光功率，并同时提高了激光器光束质量；在经过了上述的一些列作用之后，气体在放电管11的密封端进入回气管3，回气管3螺旋环绕在水冷套4外侧并紧贴水冷套4，这种设计使得气体在回气管3中再次冷却，被再次冷却后的气体自回气管3中流出并进入储气管5，在储气管5中的气体自放电管11敞口端再次流入放电管11。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了水冷套、放电管、储气管、永磁体、法兰等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (4)

1.一种利于气体冷却的二氧化碳激光器谐振腔，包括储气管（5）、设在储气管（5）内部的放电管（11）、一端连通放电管（11）内部的回气管（3），设在放电管（11）两端的放电环（6）、套设在放电管（11）外部的水冷套（4）、全反射镜（8）、输出反射镜（1），其特征是，所述放电管（11）内壁上设有若干环形突起（13），所述环形突起（13）沿放电管（11）轴向分布。

2.根据权利要求1所述的一种利于气体冷却的二氧化碳激光器谐振腔，其特征是，所述环形突起（13）的截面为长方形。

3.根据权利要求2所述的一种利于气体冷却的二氧化碳激光器谐振腔，其特征是，所述回气管（3）螺旋环绕在水冷套（4）的外侧壁上。

4.根据权利要求3所述的一种利于气体冷却的二氧化碳激光器谐振腔，其特征是，所述储气管（5）一端设有全反射镜法兰（7），对应的另一侧设有输出反射镜法兰（2），全反射镜法兰（7）与全反射镜（8）相连接，输出反射镜法兰（2）与输出反射镜（1）相连接。