CN2415519Y

CN2415519Y - 高频横向激励气体激光器

Info

Publication number: CN2415519Y
Application number: CN 00229291
Authority: CN
Inventors: 王又青
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-01-17
Anticipated expiration: 2010-02-25

Abstract

高频横向激励气体激光器,其电极置于绝缘放电管表面或管壁内,内充冷却液的冷却通道包裹绝缘放电管,后者两端分别置有全反镜和输出镜,绝缘放电管和电极可有不同形状。本实用新型无需气体对流冷却系统、结构紧凑,输出光束质量好,适用于各种类型高功率气体激光器,可广泛用于激光切割和科学研究领域。

Description

高频横向激励气体激光器

本实用新型属于气体激光器件。

随着高功率CO₂激光器在工业上日益广泛和深入应用，用于切割的激光器所占份额越来越大，目前用于切割的高功率CO₂气体激光器，主要为纵向快速流动和板条扩散冷却两种类型。纵向快速流动有直流和射频激励两种形式，其中直流激励方式激光器正负电极分别置于石英玻璃管两端，放电、气流和激光振荡方向都是一致的，可得到低阶模优质激光输出，但存在放电电压高、放电不稳定、需串接耗能限流电阻等缺点。为解决上述缺点所引入的射频激励方式激光器，通常的电极结构又有两种形式：一是两个板条状电极相对外置于石英玻璃管表面，放电等离子体特性与横流气体激光器类似(各向异性)，因此输出激光模式不是太好；二是两个螺旋电极相对绕置于石英玻璃管外表面，因此放电管内的等离子体是螺旋形状的，可得到较好的光束质量。为了更有效地改善管内放电等离子体的各向同性程度，有的还采取特殊进气方式，使得放电管内气流呈螺旋形式前进。上述几种形式加在电极上的射频功率通过石英管壁所固有的电容耦合激励管内的增益介质--激光混合气体，一般只有10-20％的射频功率转化为激光功率输出，大部分射频功率转化为热能使得混合气体温度升高，而气体温升对激光输出是不利的，因此采用快速气体流动冷却方式限制放电区的温升，这需要昂贵的气流循环冷却系统，而且使得整机结构体积庞大，额外消耗大量电能。1989年以来发展起来板条扩散冷却结构的射频激励气体激光器，板条形状的电极之间为放电部分，电极中空、内部通冷却液，所有组成元件均封装在外壳内，放电部分两端置有全反镜和输出镜，外壳内其余空间构成储气室与放电部分连通，可参见K.M.AbramsKi，A．D．colley，H．J．Baker&D．R．Hall“Power scaling of large area transverseradio freeoaency discharge CO₂ Lasers”Appl．Ph 5．Letl．，Vo1．54(9)，P1833-1835(1989)。这种激光器虽然结构紧凑，无需气流循环冷却系统，但输出激光为偏振光束，质量很差，需要采用复杂的价格较高的外光路系统对其进行整形处理，才能满足实用要求。

本实用新型的目的在于提供一种高频横向激励气体激光器，通过变化电极的形状及其在绝缘放电管上的位置，在绝缘放电管外复以冷却通道，开发出不用对流冷却系统、结构紧凑、输出光束质量好的高功率气体激光器件。

实现本实用新型的高频横向激励气体激光器，其外壳内设置放电部分和冷却装置，放电部分两端分别置有全反镜和输出镜，外壳内的其余空间构成储气室与放电部分连通，其特征在于：

(1)所述放电部分由绝缘放电管及置于绝缘放电管表面或管壁内的电极构成，电极包括高压极和地极，

(2)所述冷却装置为包裹绝缘放电管的冷却通道、冷却通道内充冷却液。

(3)当高压极置于放电管外表面时，所述冷却液是绝缘的。

所述的高频横向激励气体激光器，其进一步特征可在于所述绝缘放电管横截面为圆形；所述电极为一对螺旋状电极，其中高压极/地极沿绝缘放电管内表面绕行，地极/高压极或沿绝缘放电管外表面、或沿绝缘放电管内表面、或嵌入绝缘放电管管壁内与高压极/地极相间绕行。

所述的高频横向激励气体激光器，其进一步特征也可在于所述绝缘放电管横截面为圆形；所述电极为一对螺旋状电极，其中高压极/地极嵌入绝缘放电管管壁内绕行，地极/高压极或沿绝缘放电管外表面、或嵌入绝缘放电管管壁内与高压极/地极相间绕行。

所述的高频横向激励气体激光器，其进一步特征还可在于所述绝缘放电管横截面为圆形；所述电极为一对螺旋状电极，其中高压极和地极均沿绝缘放电管外表面相间绕行；所述冷却通道所充冷却液为绝缘冷却液。

所述的高频横向激励气体激光器，其进一步特征或在于所述绝缘放电管横截面为圆形或矩形，所述电极为两对条状电极、轴向纵贯绝缘放电管全部长度，其中两高压极/地极沿绝缘放电管内表面相对设置、两地极/高压极或沿绝缘放电管外表面、或沿绝缘放电管内表面、或嵌入绝缘放电管管壁与高压极/地极相间均匀设置。

所述的高频横向激励气体激光器，其进一步特征或在于所述绝缘放电管横截面为圆形，所述电极为两对条状电极、轴向纵贯绝缘放电管全部长度，其中两高压极/地极嵌入绝缘放电管管壁相对设置、两地极/高压极或沿绝缘放电管外表面、或嵌入绝缘放电管管壁与高压极/地极相间均匀设置。

所述的高频横向激励气体激光器，其进一步特征或在于所述绝缘放电管横截面为圆形或矩形，所述电极为两对条状电极、轴向纵贯绝缘放电管全部长度，其中两高压极/地极沿绝缘放电管外表面相对设置、两地极/高压极沿绝缘放电管外表面与高压极/地极相间均匀设置；所述冷却通道内所充冷却液为绝缘冷却液。

所述的高频横向激励气体激光器，其进一步特征或在于所述绝缘放电管横截面为圆形或矩形，所述电极为两对条状电极，第一对条状电极轴向纵贯绝缘放电管一半长度，其高压极/地极沿绝缘放电管内表面或嵌入绝缘放电管管壁放置、其地极/高压极或沿绝缘放电管外表面、或沿绝缘放电管内表面、或嵌入绝缘放电管管壁与高压极/地极相对设置；第二对条状电极轴向纵贯绝缘放电管另一半长度，其空间位置与第一对条状电极相对垂直、其高压极和地极互相之间以及它们与绝缘放电管的相对位置与第一对条状电极的高压极和地极情形一样。

所述的高频横向激励气体激光器，其进一步特征或在于所述绝缘放电管横截面为圆形或矩形，所述电极为两对条状电极，第一对条状电极轴向纵贯绝缘放电管一半长度，其高压极和地极沿绝缘放电管外表面相对设置；第二对条状电极轴向纵贯绝缘放电管另一半长度，其空间位置与第一对条状电极相对垂直、其高压极和地极沿绝缘放电管外表面相对设置；所述冷却通道内所充冷却液为绝缘冷却液。

本实用新型的激光器集射频激励激光器的放电稳定可靠、易于调制、不用昂贵的对流冷却系统、扩散冷却结构紧凑体积小，以及纵向快速流动结构的激光器输出光束质量好的优点于一体，可开发出数十--数千瓦，具有基模或低阶模光束质量、使用寿命长的气体激光器件。本实用新型的结构除适用于CO₂激光器外，还适用于CO激光器和其他类型气体的激光器，在激光切割和科学研究领域具有广阔应用前景。

以下结合附图进一步说明本实用新型的实施状态。

图1为本实用新型激光器整体剖面示意图，图中金属外壳1，绝缘放电管2采用具有良好导热特性的陶瓷或石英材料制成，3为高压电极、4为地电极，支撑5用于承载绝缘放电管，6为端面法兰、压圈7将全反镜8和输出镜9分别固定在绝缘放电管两端的端面法兰上，10为电极引线，11为绝缘套管，12是充排气口，13为冷却液入口，14为冷却液出口，15为放电等离子体，冷却通道16内充冷却液，17为通道外壁，18储充室，19为通气孔。外壳、端面法兰、冷却通道外壁、压圈和支撑均为金属材料，当高压极置于放电管外表面时，支撑5为绝缘材料构成，同时冷却液也应是绝缘的。因此放电等离子体的热量可直接通过管壁的传导扩散冷却方式被管壁周围流动的冷却液带走。绝缘放电管直径一般可选为10mm左右，因此电极间距较小，可实施低压射频激励技术，放电均匀、稳定可靠。

图2-图14分别表示不同形状的电极、不同形状的绝缘放电管以及它们之间相互位置的实施例。

图2所示一对螺旋状电极，一极沿圆形绝缘放电管内表面绕行，另一极沿绝缘放电管外表面相间绕行。

图3所示一对螺旋状电极均沿圆形绝缘放电管内表面相间绕行。

图4所示一对螺旋状电极均嵌入圆形绝缘放电管管壁内相间绕行。

图5-图10所示两对条状电极轴向纵贯绝缘放电管全部长度，图5中两高压极沿圆形绝缘放电管内表面相对设置、两地极沿绝缘放电管外表面与高压极相间均匀设置；图6与图5差别仅在于两高压极和两地极均沿圆形绝缘放电管内表面设置；图7则表示两高压极和两地极均嵌入圆形绝缘放电管管壁内；图8与图5、图9与图6、图10与图7的差别均只是绝缘放电管改为正方形横截面。

图11-图12所示两对条状电极，第一对条状电极轴向纵贯圆形绝缘放电管一半长度，第二对条状电极轴向纵贯绝缘放电管另一半长度、其空间位置与第一对条状电极相对垂直，图11中两对条状电极在绝缘放电管内、外表面上分段相对交叉设置，而图12中两对条状电极均在绝缘放电管内表面上分段相对交叉设置。图13与图11、图14与图12的区别均只是绝缘放电管为正方形横截面。

Claims

1．一种高频横向激励气体激光器，其外壳内设置放电部分和冷却装置，放电部分两端分别置有全反镜和输出镜，外壳内的其余空间构成储气室与放电部分连通，其特征在于：

(3)当高压极置于放电管外表面时，所述冷却液是绝缘的。

2．如权利要求1所述的高频横向激励气体激光器，其特征在于所述绝缘放电管横截面为圆形；所述电极为一对螺旋状电极，其中高压极/地极沿绝缘放电管内表面绕行，地极/高压极或沿绝缘放电管外表面、或沿绝缘放电管内表面、或嵌入绝缘放电管管壁内与高压极/地极相间绕行。

3．如权利要求1所述的高频横向激励气体激光器，其特征在于所述绝缘放电管横截面为圆形；所述电极为一对螺旋状电极，其中高压极/地极嵌入绝缘放电管管壁内绕行，地极/高压极或沿绝缘放电管外表面、或嵌入绝缘放电管管壁内与高压极/地极相间绕行。

4．如权利要求1所述的高频横向激励气体激光器，其特征在于所述绝缘放电管横截面为圆形；所述电极为一对螺旋状电极，其中高压极和地极均沿绝缘放电管外表面相间绕行；所述冷却通道所充冷却液为绝缘冷却液。

5．如权利要求1所述的高频横向激励气体激光器，其特征在于所述绝缘放电管横截面为圆形或矩形，所述电极为两对条状电极、轴向纵贯绝缘放电管全部长度，其中两高压极/地极沿绝缘放电管内表面相对设置、两地极/高压极或沿绝缘放电管外表面、或沿绝缘放电管内表面、或嵌入绝缘放电管管壁与高压极/地极相间均匀设置。

6．如权利要求1所述的高频横向激励气体激光器，其特征在于所述绝缘放电管横截面为圆形，所述电极为两对条状电极、轴向纵贯绝缘放电管全部长度，其中两高压极/地极嵌入绝缘放电管管壁相对设置、两地极/高压极或沿绝缘放电管外表面、或嵌入绝缘放电管管壁与高压极/地极相间均匀设置。

7．如权利要求1所述的高频横向激励气体激光器，其特征在于所述绝缘放电管横截面为圆形或矩形，所述电极为两对条状电极、轴向纵贯绝缘放电管全部长度，其中两高压极/地极沿绝缘放电管外表面相对设置、两地极/高压极沿绝缘放电管外表面与高压极/地极相间均匀设置；所述冷却通道内所充冷却液为绝缘冷却液。

8．如权利要求1所述的高频横向激励气体激光器，其特征在于所述绝缘放电管横截面为圆形或矩形，所述电极为两对条状电极，第一对条状电极轴向纵贯绝缘放电管一半长度，其高压极/地极沿绝缘放电管内表面或嵌入绝缘放电管管壁放置、其地极/高压极或沿绝缘放电管外表面、或沿绝缘放电管内表面、或嵌入绝缘放电管管壁与高压极/地极相对设置；第二对条状电极轴向纵贯绝缘放电管另一半长度，其空间位置与第一对条状电极相对垂直、其高压极和地极互相之间以及它们与绝缘放电管的相对位置与第一对条状电极的高压极和地极情形一样。

9．如权利要求1所述的高频横向激励气体激光器，其特征在于所述绝缘放电管横截面为圆形或矩形，所述电极为两对条状电极，第一对条状电极轴向纵贯绝缘放电管一半长度，其高压极和地极沿绝缘放电管外表面相对设置；第二对条状电极轴向纵贯绝缘放电管另一半长度，其空间位置与第一对条状电极相对垂直、其高压极和地极沿绝缘放电管外表面相对设置；所述冷却通道内所充冷却液为绝缘冷却液。