ES2593806T3

ES2593806T3 - Láseres de losa de cerámica, de espacio libre y guías de ondas

Info

Publication number: ES2593806T3
Application number: ES12749587.7T
Authority: ES
Inventors: Clifford E. Morrow; Wendelin Weingartner
Original assignee: Iradion Laser Inc
Current assignee: Iradion Laser Inc
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2016-12-13
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: EP2673855B1; CN107134708B; EP2673855A4; WO2012115939A2; CN103518295A; EP2673855A2; WO2012115939A3; US20120219028A1; US8422528B2; CN103518295B; CN107134708A

Abstract

Un láser (10) que comprende: un cuerpo de cerámica (12) que incluye una primera pared (32) y una segunda pared (32) opuesta a la primera pared (32), un primer espejo (16) soportado por un primer soporte de espejo (28) acoplado al cuerpo de cerámica (12) y posicionado en los primeros extremos de las primera y segunda paredes (32), un segundo espejo (18) soportado por un segundo soporte de espejo (30) acoplado al cuerpo de cerámica (12) y posicionado en los segundos extremos de las primera y segunda paredes (32) opuestos a los primeros extremos de las primera y segunda paredes (32), el cuerpo de cerámica (12) y los soportes de los primer y segundo espejos (28, 30) juntos que forman un recinto hermético que contiene un gas de láser, las primera y segunda paredes (32) y los primer y segundo espejos (16, 18) que definen una cavidad del láser de losa (14) dentro del cuerpo de cerámica (12), un primer electrodo (24) posicionado fuera del recinto hermético que contiene el gas de láser y es adyacente a la primera pared (32) del cuerpo de cerámica (12), un primer disipador de calor (56) posicionado fuera del recinto hermético que contiene el gas de láser y acoplado térmicamente al primer electrodo (24), el primer disipador de calor (56) que se posiciona cerca del primer electrodo (24) con un primer material eléctricamente aislante (60) dispuesto entre el primer disipador de calor (56) y el primer electrodo (24), un segundo electrodo (26) posicionado fuera del recinto hermético que contiene el gas de láser y es adyacente a la segunda pared (32) del cuerpo de cerámica (12), un segundo disipador de calor (56) posicionado fuera del recinto hermético que contiene el gas de láser y acoplado térmicamente al segundo electrodo (26), el segundo disipador de calor (56) que se posiciona cerca del segundo electrodo (26) con un segundo material eléctricamente aislante (60) dispuesto entre el segundodisipador de calor (56) y el segundo electrodo (26), y un amplificador de potencia de radiofrecuencia (50) configurado para excitar el gas de láser dispuesto en la cavidad del láser de losa (14) mediante la aplicación de una señal de excitación a un circuito resonante que incluye los primer y segundo electrodos (24, 26), en donde el primer electrodo (24), el primer material eléctricamente aislante (60), y el primer disipador de calor (56) funcionan como un primer capacitor del circuito 30 isipador de calor (56) funcionan como un segundo capacitor del circuito resonante, y en donde los primer y segundo electrodos (24, 26), las porciones del cuerpo de cerámica (12), y el gas de láser funcionan como un tercer capacitor del circuito resonante.

Description

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DESCRIPCION

Laseres de losa de ceramica, de espacio libre y gulas de ondas.

Referenda cruzada a solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente de Estados Unidos num. 13/034,205, presentada el 24 de febrero, 2011.

Campo Tecnico

La presente invencion se refiere generalmente a laseres y, mas especlficamente, a laseres de losa monollticos, de nucleo de ceramica, de losa de espacio libre y de gulas de ondas.

Tecnica anterior

Los laseres de dioxido de carbono (CO2) tlpicamente producen luz laser en el espectro infrarrojo en torno a una longitud de onda de 10,6 pm y son utiles en muchas aplicaciones comerciales, medicas y militares (que incluyen, por ejemplo, grabado, corte, etc.). De acuerdo con un diseno convencional para un laser de dioxido de carbono, los electrodos de aluminio que producen, confinan, y enfrlan el plasma formado entre ellos estan contenidos dentro de un recinto de vaclo, compuesto ademas de aluminio. Un diseno de este tipo requiere que las bobinas del resonador esten dentro del recinto lleno de gas ajustado al vaclo y generalmente se complica por muchas partes. Este diseno necesita, ademas, uno o mas pasamuros electricos para realizar la conexion con los electrodos y proporcionar energla al plasma, mientras se mantiene un sello al vaclo. Estos pasamuros presentan un punto debil en el laser, ya que tienden a correr caliente debido al efecto de piel de radiofrecuencia (RF). Otro diseno conocido para un laser de dioxido de carbono emplea un orificio de ceramica que actua como una gula de ondas optica y/o una trayectoria de propagation de espacio libre para la radiation laser, y ademas limita la descarga electrica para excitar el gas de dioxido de carbono. En cualquier caso, debido a que el haz de luz interactua interactua en diversos grados con las paredes del orificio (en dependencia del tamano del orificio), la forma y el acabado optico del orificio son crlticos para el rendimiento del laser. Resulta necesario aumentar la longitud de ganancia mediante el plegado de la cavidad del laser en multiples trayectorias de rayos en serie para lograr una potencia de salida mayor, pero la complejidad de la molienda de la ceramica para acomodar estas trayectorias multiples y el numero de espejos requeridos se vuelve problematico.

La patente US455658 describe un cuerpo de ceramica que construye una cavidad de laser hermetica junto con dos espejos del resonador. Los electrodos externos se proporcionan en contacto con las paredes exteriores de la cavidad hermetica. La patente US20090213885 describe un sistema de laser de losa que comprende un primer y segundo electrodos, un disipador de calor unido a cada electrodo a traves de un aislante, los electrodos, disipadores de calor y aislantes que se colocan en un recinto hermetico con el gas de laser.

Descripcion de la invencion

La presente invencion puede comprender una o mas de las caracterlsticas mencionadas en las reivindicaciones adjuntas y/o una o mas de las siguientes caracterlsticas y combinaciones de las mismas.

En una modalidad, un laser comprende un cuerpo de ceramica que incluye una primera pared y una segunda pared opuesta a la primera pared, un primer espejo colocado en los primeros extremos de la primera y segunda paredes, un segundo espejo colocado en los segundo extremos de la primera y segunda paredes opuestos a los primeros extremos, las primera y segunda paredes y los primer y segundo espejos que definen una cavidad de laser de losa dentro del cuerpo de ceramica. El laser comprende ademas un primer electrodo situado fuera de la cavidad del laser y adyacente a la primera pared del cuerpo de ceramica y un segundo electrodo situado fuera de la cavidad del laser y adyacente a la segunda pared del cuerpo de ceramica, en donde un gas de laser dispuesto en la cavidad del laser se excita cuando se aplica una senal de excitation a los primer y segundo electrodos. En algunas modalidades, los primer y segundo espejos pueden formar un resonador de espacio libre multiplegado en la cavidad del laser de losa. En otras modalidades, los primer y segundo espejos pueden formar un resonador inestable de espacio libre en la cavidad del laser de losa. Aun en otras modalidades, los primer y segundo espejos pueden formar un resonador inestable de gula de ondas en la cavidad del laser de losa.

La cavidad del laser de losa puede tener una section transversal generalmente rectangular a lo largo de un eje longitudinal que se extiende entre los primer y segundo espejos. Una primera dimension transversal de la cavidad del laser de losa puede ser al menos dos veces tan grande como una segunda dimension transversal de la cavidad del laser de losa, la primera dimension transversal que es paralela a las primera y segunda paredes del cuerpo de ceramica y la segunda dimension transversal que es perpendicular a las primera y segunda paredes del cuerpo de ceramica. La segunda dimension transversal de la cavidad del laser de losa puede ser al menos tan grande como un diametro de un modo fundamental de un resonador de espacio libre formado por los primer y segundo espejos. Alternativamente, la

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segunda dimension transversal de la cavidad del laser de losa puede funcionar como una gula de ondas y puede tener un numero de Fresnel aproximadamente menor que o igual a aproximadamente 0,3.

El cuerpo de ceramica puede comprender alumina. Al menos uno de los primer y segundo espejos puede al menos superponerse parcialmente a un orificio opuesto formado en el cuerpo de ceramica. El primer espejo se soporta por un primer soporte de espejo acoplado al cuerpo de ceramica, el segundo espejo se soporta por un segundo soporte de espejo acoplado al cuerpo de ceramica, y el cuerpo de ceramica y los primer y segundo soportes de espejos forman un recinto hermetico que contiene el gas de laser.

El cuerpo de ceramica puede incluir ademas un primer deposito de gas formado en este, el primer deposito de gas que esta en comunicacion de gas con la cavidad del laser de losa a traves de una o mas ranuras de comunicacion de gas que se extienden entre estos. La una o mas ranuras de comunicacion de gas pueden disponerse a lo largo de un lado de la cavidad del laser de losa que se extiende entre las primera y segunda paredes del cuerpo de ceramica. La una o mas ranuras de comunicacion de gas pueden ocupar al menos la mitas de area del lado de la cavidad del laser de losa. El cuerpo de ceramica puede incluir ademas un segundo deposito de gas formado en este, el segundo deposito de gas que esta en comunicacion de gas con la cavidad del laser de losa a traves de una o mas ranuras de comunicacion de gas que se extienden entre estos. Los primer y segundo depositos de gas pueden situarse en lados opuestos de la cavidad del laser de losa.

El primer electrodo puede recibirse al menos parcialmente en una primera ranura formada en una superficie exterior del cuerpo de ceramica y el segundo electrodo puede recibirse al menos parcialmente en una segunda ranura formada en una superficie exterior del cuerpo de ceramica. El primer y segundo electrodos pueden colocarse de manera que las porciones del gas de laser adyacentes a los primer y segundo espejos no se excitan cuando se aplica la senal de excitacion a los primer y segundo electrodos.

El laser comprende ademas un primer disipador de calor acoplado termicamente al primer electrodo. El primer disipador de calor puede asegurarse a una distancia predeterminada del primer electrodo, independientemente de una temperatura del cuerpo de ceramica. El laser comprende ademas un segundo disipador de calor acoplado termicamente al segundo electrodo y un separador que conecta los primer y segundo disipadores de calor. El separador puede formarse de un material que tiene un coeficiente de expansion termica que coincide sustancialmente con un coeficiente de expansion termica del cuerpo de ceramica y un coeficiente de expansion termica de los primer y segundo electrodos.

El laser comprende ademas un circuito de potencia de RF para energizar los primer y segundo electrodos. El circuito de potencia de RF puede incluir una pluralidad de bobinas de resonancia situadas adyacentes al cuerpo de ceramica y acopladas electricamente en paralelo entre los primer y segundo electrodos.

Los primer y segundo espejos pueden formar un resonador de rama negativa inestable. Los primer y segundo espejos pueden formar un resonador de rama positiva inestable. Los primer y segundo espejos pueden formar un resonador estable configurado para tener una superposicion de haz que no excede aproximadamente el 20 %. Al menos uno del primer y el segundo espejos puede comprender un espejo segmentado que tiene una pluralidad de superficies reflectantes planas orientadas en angulos distintos de manera que la superposicion de haz es de aproximadamente 0 %.

En otra modalidad, un laser puede comprender un recinto dielectrico hermetico que contiene un gas de laser, el recinto dielectrico hermetico que define una cavidad del laser de losa de espacio libre en este, una pluralidad de espejos que forman un resonador multiplegado estable en la cavidad del laser de losa de espacio libre , y una pluralidad de electrodos situados fuera del recinto dielectrico hermetico de manera que el gas de laser contenido en la cavidad del laser de losa de espacio libre se excita cuando se aplica una senal de excitacion a la pluralidad de electrodos.

En aun otra modalidad, un laser puede comprender un recinto dielectrico hermetico que contiene un gas de laser, el recinto dielectrico hermetico que define una cavidad del laser de losa de espacio libre en este, una pluralidad de espejos que forman un resonador inestable en la cavidad del laser de losa de espacio libre, y una pluralidad de electrodos situados fuera del recinto dielectrico hermetico de manera que el gas de laser contenido en la cavidad del laser de losa de espacio libre se excita cuando se aplica una senal de excitacion a la pluralidad de electrodos. En algunas modalidades, la pluralidad de espejos puede formar un resonador de rama negativa inestable. En otras modalidades, la pluralidad de espejos puede formar un resonador de rama positiva inestable.

Aun en otra modalidad, un laser puede comprender un recinto dielectrico hermetico que contiene un gas de laser, el recinto dielectrico hermetico que define una cavidad del laser de losa de gula de ondas en este, una pluralidad de espejos que forman un resonador inestable en la cavidad del laser de losa de gula de ondas, y una pluralidad de electrodos situados fuera del recinto dielectrico hermetico de manera que el gas de laser contenido en la cavidad del laser de losa de gula de ondas se excita cuando se aplica una senal de excitacion a la pluralidad de electrodos. En algunas modalidades, la pluralidad de espejos puede formar un resonador de rama negativa inestable. En otras modalidades, la pluralidad de espejos puede formar un resonador de rama positiva inestable.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

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La Figura 1 es una vista despiezada de varios componentes de un laser de ceramica multiplegado de espacio libre, de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La Figura 2 es un diagrama de una modalidad ilustrativa de un resonador de espacio libre que puede usarse con el laser de la Figura 1.

La Figura 3 es un diagrama de una modalidad ilustrativa de un resonador de espacio libre o gula de ondas que puede usarse con el laser de la Figura 1.

La Figura 4 es un diagrama de otra modalidad ilustrativa de un resonador de espacio libre o gula de ondas que puede usarse con el laser de la Figura 1.

La Figura 5 es un diagrama esquematico de un laser ensamblado, de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La Figura 6 es una vista parcialmente despiezada de varios componentes del laser de la Figura 5.

La Figura 7 es una vista en seccion transversal de varios componentes del laser de la Figura 5, tomada a lo largo de la llnea 7-7.

Mejor(es) modo(s) para llevar a cabo la invencion

Para los propositos de proporcionar una comprension de los principios de la invencion, a continuacion se hara referencia a una modalidad ilustrativa mostrada en los dibujos adjuntos y un lenguaje especlfico se usara para describir la misma.

Una modalidad ilustrativa de un laser 10, de acuerdo con la presente descripcion, se muestra en los diagramas de las Figuras 1 y 5-7. El laser 10 se muestra de manera ilustrativa como un laser de ceramica multiplegado de espacio libre. Aunque un laser multiplegado de espacio libre se muestra en las Figuras 1 y 5-7 para fines de ilustracion, la presente descripcion contempla ademas que el laser 10 se configura como un laser de ceramica inestable de espacio libre o un laser de ceramica inestable de gula de ondas. El laser 10 incluye generalmente un cuerpo de ceramica 12 que define una cavidad del laser de losa 14, una serie de espejos 16, 18, 20 que forman un resonador 22 en la cavidad del laser de losa 14, y una serie de electrodos 24, 26 situados fuera del cuerpo de ceramica 12 (y, por lo tanto, fuera de la cavidad del laser de losa 14). De acuerdo con la presente descripcion, la cavidad del laser de losa 14 puede ser o bien una cavidad del laser de losa de espacio libre (es decir, no de gula de ondas) o una cavidad del laser de la losa de gula de ondas. Tanto una cavidad del laser de losa de espacio libre y una cavidad del laser de losa de gula de ondas pueden entenderse con referencia al numero de Fresnel del laser 10. El numero de Fresnel de un laser puede darse generalmente por la formula: NF = a2/(AL), donde a es la mitad de la abertura del resonador, A la longitud de onda del rayo laser, y Les la longitud del resonador. Un numero de Fresnel de menos de aproximadamente 0,3 puede definir generalmente una cavidad del laser de gula de ondas verdadera. Un numero de Fresnel mayor que aproximadamente 3 puede definir generalmente una cavidad del laser de espacio de libre en la que puede existir poca o ninguna interaccion entre el haz y las paredes de la cavidad del laser. Los numeros de Fresnel entre aproximadamente 0,3 y aproximadamente 1,5 describen una cavidad del laser de casi espacio libre de diversos grados de interaccion entre el haz y las paredes de la cavidad del laser. De acuerdo con la modalidad ilustrativa, el laser 10 puede tener un numero de Fresnel mayor que aproximadamente 1. En otras modalidades, el laser 10 puede tener un numero de Fresnel de menos de aproximadamente 0,3.

Con referencia ahora a la Figura 1, la modalidad ilustrativa del laser 10 incluye un cuerpo de ceramica 12, un par de electrodos 24, 26, y un par de soportes de espejo 28, 30. El cuerpo de ceramica 12 del laser 10 se materializa de forma ilustrativa como que se forma de dos componentes de imagen de espejo: un componente del lado izquierdo 12a y un componente del lado derecho 12b. Se apreciara que, en otras modalidades, el cuerpo de ceramica 12 puede formarse como un componente integral o puede comprenderse de tres o mas componentes. El cuerpo de ceramica 12 ademas puede ser no simetrico en algunas modalidades. En la modalidad ilustrativa, el cuerpo de ceramica 12 comprende alumina (A^Oa) con una pureza entre el 95 % y el 99,9 %. En otras modalidades, el cuerpo de ceramica 12 puede formarse de oxido de berilio (BeO), nitruro de aluminio (AlN), ciertos tipos de vidrio y/o ceramicas de vidrio, o cualquier material con propiedades electricas mecanicas y termicas similares, o combinaciones de estos. Se contempla ademas que el cuerpo de ceramica 12 puede formarse de otros materiales dielectricos adecuados (que incluyen los que no son de ceramica).

En la modalidad ilustrativa de la Figura 1, el interior del cuerpo de ceramica 12 define una cavidad del laser de losa de espacio libre 14 que tiene una seccion transversal generalmente rectangular. La cavidad del laser de losa 14 se define parcialmente por dos paredes opuestas 32 y por dos paredes opuestas 34 del cuerpo de ceramica 12 (ver Figura 7). Las paredes opuestas 34 pueden perderse en su mayorla con solo soportes ocasionales o pueden incluir un mayor numero de soportes (como se muestra en la Figura 1). En la modalidad ilustrativa, la dimension de la cavidad del laser de losa 14 paralela a las paredes 32 es mas del doble de la dimension paralela a las paredes 34. En la modalidad ilustrativa, las dos dimensiones (a lo largo de las paredes 32 y a lo largo de las paredes 34) son ademas al menos tan grandes como el diametro del modo fundamental del resonador 22, de manera que las paredes 32, 34 no interfieren sustancialmente con los rayos laser que viajan a traves la cavidad del laser de losa 14 (es decir, un resonador de espacio libre). En la modalidad alternativa de un resonador de gula de ondas, las paredes 32, 34 pueden separarse por aproximadamente 1,4 veces el ancho de haz deseado en la direccion de gula de ondas.

Como se puede observar en las Figuras 1 y 7, el interior del cuerpo de ceramica 12 se forma ademas para incluir un par de depositos de gas 36, 38. Los depositos de gas 36, 38 estan en comunicacion de gas (es decir, fluido) con la cavidad

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del laser de losa 14 a traves de un numero de ranuras de comunicacion de gas 40, o regiones abiertas, formadas en las paredes opuestas 34 del cuerpo de ceramica 12. El tamano y el numero de ranuras de comunicacion de gas 40 formadas en las paredes opuestas 34 puede variar entre solo una ranura mas grande 40 (es decir, una pared casi abierta 34) para muchas ranuras mas pequenas 40. En la modalidad ilustrativa, uno de los depositos de gas 36 es adyacente a una pared 34, mientras que el otro deposito de gas 38 es adyacente a la pared opuesta 34. El cuerpo de ceramica 12 puede formarse ademas para incluir los orificios opuestos 42, como se muestra en las Figuras 1 y 6. Los orificios opuestos 42 se localizan en los extremos de la cavidad del laser de losa 14 y definen una entrada de borde hundido a la cavidad del laser de losa 14 situada detras de los espejos 16, 18, 20. Esta ubicacion ayuda a filtrar una estructura de modo de orden superior. Ya que no son deseables, los modos que divergen rapidamente se examinan ligeramente en el borde de entrada hundida de los orificios opuestos 42, sus posibilidades de competir con el modo fundamental deseado se reducen. En otras modalidades, los orificios opuestos 42 mostrados ilustrativamente en las Figuras 1 y 6 pueden adoptar otras formas, en dependencia del tipo de resonador empleado.

La modalidad ilustrativa del laser 10 incluye ademas una serie de espejos 16, 18, 20. Dos espejos 16, 20 se soportan por el soporte de espejo 28, que se coloca en el extremo frontal de la cavidad del laser de losa 14. El otro espejo 18 se soporta por el soporte de espejo 30, que se coloca en el extremo posterior de la cavidad del laser de losa 14. Los soportes de espejo 28, 30 se sellan al cuerpo de ceramica 12 para formar un recinto hermetico, o sellado al vaclo. En la modalidad ilustrativa, los soportes de espejo 28, 30 se acoplan al cuerpo de ceramica mediante el uso de un epoxi. Se apreciara que un sello hermetico puede proporcionarse ademas por varios otros metodos, que incluyen, pero no se limitan a, soldadura fuerte, soldadura, fritado de vidrio, etcetera, y que los componentes 12a, 12b del cuerpo de ceramica 12 pueden fijarse entre si mediante el uso de metodos similares. Se contempla ademas que uno o mas de los espejos 16, 18, 20 puedan fijarse directamente al cuerpo de ceramica 12, sin el uso de un soporte de espejo. Se apreciara, ademas, que el espejo 20 puede ser una ventana sin una superficie reflectante en modalidades que emplean un resonador inestable de espacio libre o de gula de ondas.

El recinto hermetico formado por el cuerpo de ceramica 12 y los soportes de espejo 28, 30 se llena con un gas de laser, tales como CO2, a manera de ejemplo. El gas de laser puede ser cualquier mezcla de gases (multiples elementos y/o multiples moleculas) suficiente para producir un medio de ganancia en la cavidad del laser de losa 14 cuando se excita. En algunas modalidades, la ganancia puede favorecer a longitudes de onda distintas de las de aproximadamente 10,6 pm a traves del uso de isotopos y no puede basarse en CO2, sino otra molecula (como CO, por ejemplo). En la modalidad ilustrativa, el cuerpo de ceramica 12 se oxida completamente y, por lo tanto, no reaccionara con el gas de laser. Ademas, como el cuerpo de ceramica 12 no tiene partes internas, no hay fugas virtuales formadas por una estrecha proximidad entre dos superficies (como las que existen entre el sandwich de un electrodo y un aislante encontrado en los laseres de la tecnica anterior). Sin superficies en contacto, no hay depuracion entre esas superficies cuando se calientan y enfrlan, lo que provoca problemas de contaminacion de gas y deterioro. Ademas, el cuerpo de alumina 12 de la modalidad ilustrativa permite el acoplamiento de la energla de RF sin necesidad de una alimentacion directa de RF. Por ultimo, el cuerpo de ceramica 12 puede limpiarse con estandares mucho mas altos que el aluminio (que proporcionan una vida util mayor del laser), y el cuerpo del nucleo de alumina puede reciclarse completamente a la condition de nuevo (que proporciona una ventaja de costo del producto en anos posteriores cuando las unidades se retiran y reciclan de vuelta a la fabrica).

Juntos, los espejos 16-20 de la modalidad ilustrativa forman un resonador multiplegado de espacio libre 22 en la cavidad del laser de losa 14. Un resonador "multiplegado" es uno en el cual el rayo laser viaja hacia atras y hacia adelante entre una pluralidad de espejos (por ejemplo, los espejos 16-20) sobre al menos tres trayectorias distintas, pero que se solapan parcialmente. El laser 10 de la modalidad ilustrativa emplea un resonador estable multiplegado 22 con cinco trayectorias de rayos laser diferentes. Una representation de este patron de haz dentro del medio de ganancia 44 (es decir, el gas de laser excitado dentro de la cavidad del laser de losa 14) se muestra en la Figura 2. En esta modalidad del resonador 22, el espejo posterior 18 se curva esfericamente con diametros de haz de onda frontal esfericos y los espejos frontales 16, 20 son planos con diametros de haz de onda frontal planos. Las caracterlsticas del haz se determinan por la trayectoria del haz final formada entre el espejo 18 y el espejo de acoplamiento de salida 20. Las otras cuatro trayectorias de haces, sin embargo, se duplican todas porque cada trayectoria de haz se forma entre un espejo plano 16 en un extremo y el mismo espejo curvado 18 en el otro. La separation total entre las cinco trayectorias de haces se determina principalmente por el angulo entre el espejo 16 y el espejo 20. En la modalidad ilustrativa, este angulo se ajusta de manera que la superposition del haz de las reflexiones 46 no excede aproximadamente el 20 %. La "superposition del haz" puede definirse como la cantidad de intersection entre diferentes trayectorias de los rayos laser en uno de los espejos (por ejemplo, las reflexiones de haz 46 en el espejo 18 en la Figura 2), expresada como un porcentaje del diametro del haz. Una superposicion del haz mayor del 20 % puede provocar que la competencia entre las trayectorias de haz y el modo pueda sufrir. Como se muestra en la Figura 2, cada reflexion del haz subsiguiente 46 mas alejada de la primera reflexion del haz golpea el espejo 18 mas cerca de la ultima reflexion del haz. En otras palabras, las ultimas reflexiones del haz 46 se superponen mas en el espejo 18 a medida que aumenta el numero de reflexiones del haz. Por esta razon, la modalidad ilustrativa usa una configuration de cinco trayectorias de haces (con tres reflexiones 46 en el espejo 18) para evitar el exceso de competencia entre las trayectorias de haces, como tal la competencia puede resultar en un modo confuso y de pobre energla.

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En otras modalidades, el espejo 16 puede sustituirse por un espejo segmentado convertido en diamante que tiene una pluralidad de superficies reflectantes planas orientadas en angulos diferentes. El espejo segmentado 16 puede redirigir cada trayectoria de haz para separar las reflexiones del haz 46 en el espejo 18. Debido a esta separation mejor y el diametro menor de las manchas en el espejo 16, no hay superposition de haz (es decir, la superposition de haz es aproximadamente de 0 %) y la ultima reflexion del haz en el espejo 20 puede seleccionarse facilmente. Mientras se evita la competencia entre los haces, sin embargo, el numero cada vez mayor de la reflexiones del haz en los espejos 18, 20 puede provocar perdidas de reflexion resultantes en forma de absorcion. La geometrla del espejo segmentado puede permitir que se formen mas de cinco haces.

El resonador 22 puede configurarse alternativamente como un resonador inestable de espacio libre 22, como se muestra en las Figuras 3 y 4. Los resonadores 22 de estas modalidades ilustrativas son inestables en el eje del ancho de la losa (es decir, la dimension a lo largo de la pared 32 del cuerpo de ceramica 12) y estables en el eje del grosor de la losa (es decir, la dimension a lo largo de la pared 34 del cuerpo de ceramica 12). En el eje inestable, los haces tienden a expandirse geometricamente hacia fuera a traves del resonador 22 hasta que se acoplan fuera de la cavidad a traves del borde del espejo 16. En el eje estable, el haz se propaga entre el espejo 16 y el espejo 18 lo que sigue las leyes normales de Gauss de propagation del haz. Una configuration de "rama negativa" se muestra en la Figura 3, en la que ambos espejos 16, 18 son concavos en la direction inestable. Una configuracion de "rama positiva" se muestra en la Figura 4, en la que el espejo 16 es convexo y el espejo 18 es concavo. En ambas modalidades, la relation del radio de los dos espejos 16, 18 define una relacion distinta de 1:1, de manera que se garantiza el escape de parte de la luz. Esta relacion es el equivalente al porcentaje de acoplamiento de salida del resonador 22. Ambas modalidades del resonador inestable 22 emplean los espejos 16, 18 con superficies asfericas (es decir, el radio en una direccion es diferente del radio en la otra direccion perpendicular).

Aun en otras modalidades, el resonador 22, puede configurarse alternativamente, como un resonador inestable de gula de ondas 22, como se muestra ademas en las Figuras 3 y 4. La diferencia principal entre las modalidades del resonador de espacio libre y las modalidades del resonador de gula de ondas es que, en el eje del grosor de la losa (es decir, la dimension paralela a las paredes 34 del cuerpo de ceramica 12), la separacion entre las paredes 32 esta mucho mas cerca, lo que permite a los fotones de resonancia guiarse por las paredes 32 de la cavidad del laser de losa 14 en esa direccion. En el eje inestable, como en las modalidades del resonador de espacio libre, el haz se acopla fuera de la cavidad del laser de losa 14 a traves del borde del espejo 16. Las modalidades del laser 10 que emplean un resonador inestable de gula de ondas 22 poseen una ventaja de enfriamiento de gas sobre las modalidades del resonador de espacio libre debido a que las paredes de gula de ondas frlas 32 estan mucho mas cerca del centro del plasma. La mejor elimination de calor y mayor ganancia de tales modalidades permite una extraction de potencia mayor.

De vuelta ahora a la Figura 1, el laser 10 incluye ademas una serie de electrodos 24, 26 colocados fuera de la cavidad del laser de losa 14 y adyacentes a las paredes 32 del cuerpo de ceramica 12. El gas de laser dispuesto en la cavidad del laser de losa 14 se excitara cuando se aplica una senal de excitation a los electrodos 24, 26. En la modalidad ilustrativa, los electrodos 24, 26 se reciben cada uno en una ranura alargada 48 formada en una superficie exterior del cuerpo de ceramica 12. Cuando se aplica una senal de excitacion de RF a los electrodos 24, 26, el gas de laser en la cavidad del laser de losa 14 se excita y, a traves del acoplamiento capacitivo, se produce un medio de ganancia de plasma 44. Mientras que los electrodos 24, 26 se muestran como electrodos alargados en la modalidad ilustrativa, se contempla que los electrodos 24, 26 pueden tener diferentes formas geometricas, pueden segmentarse, y pueden ser planos o en un angulo con las paredes 32 del cuerpo de ceramica 12.

El uso de los electrodos 24, 26 que son externos al cuerpo de ceramica 12 da lugar a muchas ventajas. Por ejemplo, en la modalidad ilustrativa, la energla de RF se acopla en la cavidad del laser de losa 14 a traves de las paredes 32 del cuerpo de ceramica 12, lo que elimina la necesidad de conexiones pasantes y permite que el calor se acople fuera mas eficientemente desde el plasma. En otras modalidades, los electrodos de diferentes formas geometricas pueden usarse para excitar solamente ciertas porciones del gas de laser en la cavidad del laser de losa 14. En otras modalidades, los segmentos individuales de los electrodos de multiples segmentos pueden excitarse individualmente. Ademas, el uso de los electrodos externos 24, 26 permite una gula de onda continua a la superficie de los espejos 16, 18 sin excitar la portion de gas de laser directamente adyacente a los espejos 16, 18. Es bien conocido que un espacio entre el extremo de la gula de ondas y los espejos puede introducir perdidas en el laser; cuanto mayor sea el espacio, mayor seran las perdidas. Por otro lado, debe mantenerse una distancia entre el plasma excitado y los espejos para evitar danos a las superficies de los espejos. El uso de electrodos externos 24, 26 protege los espejos 16, 18 del plasma, pero aun permite al cuerpo de ceramica 12 guiar la radiation laser a los espejos 16, 18 sin ninguna interruption en las superficies de gula de ondas.

Con referencia ahora generalmente a las Figuras 5-7, el laser 10 incluye ademas un circuito de potencia de RF para energizar los electrodos 24, 26. El circuito de potencia de RF incluye un amplificador de potencia de radiofrecuencia (RFPA) 50 y una serie de bobinas de resonancia 52, entre otros componentes. En la modalidad ilustrativa, las bobinas de resonancia 52 se colocan adyacentes al cuerpo de ceramica 12 y se acoplan electricamente en paralelo entre los electrodos 24, 26. Los electrodos 24, 26 se acoplan electricamente a las bobinas de resonancia 52 para proporcionar un circuito resonante LC que se acciona por el RFPA 50. Las correas de cobre 54 se usan para conectar los electrodos 24, 26 a las bobinas de resonancia 52. Estas correas de cobre 54 forman parte de la inductancia del circuito tambien. La

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capacitancia del circuito LC se hace de la capacitancia entre los dos electrodos 24, 26 y la capacitancia entre cada electrodo 24, 26 y un disipador de calor correspondiente 56 (descrito en mas detalle mas abajo). Una seccion transversal de la trayectoria electrica entre las bobinas de resonancia 52 y los electrodos 24, 26, que incluye los disipadores de calor 56, se muestra en la Figura 7. La abertura entre los electrodos 24, 26, que incluye la cavidad del laser de losa 14, resulta en una capacitancia bastante baja. Con el proposito de reducir la capacitancia total a la cual se conectan las bobinas resonantes 52, los electrodos 24, 26 pueden flotar en ambos lados. El RFPA 50 puede conectarse al circuito resonante del laser, ya sea en una configuracion de accionamiento de empuje traccion o en una configuracion de accionamiento de un solo lado. Como se muestra en la Figura 7, los dos disipadores de calor 56 se acoplan electricamente entre si a traves de las placas 58 sobre toda su longitud con el proposito de minimizar la inductancia de la porcion del disipador de calor del circuito LC y para proporcionar la mejor proteccion posible. Dado que el circuito que incluye los electrodos 24, 26 y las bobinas de resonancia 52 es un emisor de energla de RF, los disipadores de calor 56 y otros recintos del laser 10 se convierten en escudos y parte del circuito de RF al mismo tiempo.

Como se menciono anteriormente, el laser 10 puede incluir ademas uno o mas dispositivos de disipacion termica o de transferencia termica 56 para evitar temperaturas excesivas en el laser 10. Por ejemplo, las placas enfriadas por agua o los electrodos enfriados por agua podrlan usarse en algunas modalidades. En la modalidad ilustrativa, el cuerpo de ceramica 12 se intercala generalmente entre dos disipadores de calor 56. Cada disipador de calor 56 se acopla termicamente a uno de los electrodos 24, 26 para halar calor desde ese electrodo e, indirectamente, desde la cavidad del laser de losa 14 en el cuerpo de ceramica 12. Entre el disipador de calor 56 y el electrodo respectivo 24, 26, se usa un material delgado 60 para aislar electricamente el electrodo 24, 26 del disipador de calor 56 y, al mismo tiempo, conducir termicamente el calor al disipador de calor 56. En la modalidad ilustrativa, el material delgado 60 comprende una pasta espesa que se carga con alumina y cura a un material similar a la goma suave. Se contempla ademas que una tira de ceramica delgada podrla usarse para el material delgado 60. El material delgado 60 puede colocarse ademas entre los electrodos 24, 26 y el cuerpo de ceramica 12 para llenar los vaclos de aire que pudieran existir y promover la conduccion termica. En cualquier caso, el material delgado 60 tendra una constante dielectrica alta (por ejemplo, en el intervalo de 8 o 9, donde el cuerpo de alumina 12 tiene una constante dielectrica de 10). La constante dielectrica alta del material delgado 60 provoca que la capacitancia entre uno de los electrodos 24, 26 y el disipador de calor 56 sea mucho mayor que la capacitancia entre los electrodos 24, 26.

Para evitar la sintonla no controlada de la resonancia mas alla de la mejor coincidencia de frecuencia con el RFPA 50, la capacitancia del laser 10 debe mantenerse constante. Dado que la capacitancia entre cada electrodo 24, 26 y el par de disipadores de calor 56 es muy sensible a la separacion, el laser 10 se disena para mantener el disipador de calor 56 a una distancia predeterminada del respectivo electrodo 24, 26 independientemente de la temperatura del cuerpo de ceramica 12 (en el intervalo de temperaturas de operacion para el laser 10). En la modalidad ilustrativa, la separacion entre los dos disipadores de calor 56 se mantiene mediante los separadores 62 que se hacen de un material que coincide estrechamente con el coeficiente de expansion termica del cuerpo de ceramica 12 y los electrodos 24, 26. Estos separadores 62 soportan ademas el cuerpo de ceramica 12 y mantienen la separacion estrecha entre cada electrodo 24, 26 y su disipador de calor adyacente 56. Los separadores 62 pueden formarse de varios materiales posibles, que incluyen, pero no se limitan a, titanio o aluminio 7075-T6, en dependencia del cuerpo de ceramica particular 12 y los electrodos 24, 26 que se usan. En otras modalidades, las esquinas del cuerpo de ceramica 12 pueden perforarse (de una manera que evita los depositos de gas 36, 38) para permitir que se instalen los insertos roscados. En estas modalidades, el cuerpo de ceramica 12 se convierte en el separador 62 a medida que se expande y contrae con los cambios de temperatura.

Claims

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Reivindicaciones

1. Un laser (10) que comprende:

un cuerpo de ceramica (12) que incluye una primera pared (32) y una segunda pared (32) opuesta a la primera pared (32),

un primer espejo (16) soportado por un primer soporte de espejo (28) acoplado al cuerpo de ceramica (12) y posicionado en los primeros extremos de las primera y segunda paredes (32),

un segundo espejo (18) soportado por un segundo soporte de espejo (30) acoplado al cuerpo de ceramica (12) y posicionado en los segundos extremos de las primera y segunda paredes (32) opuestos a los primeros extremos de las primera y segunda paredes (32), el cuerpo de ceramica (12) y los soportes de los primer y segundo espejos (28, 30) juntos que forman un recinto hermetico que contiene un gas de laser, las primera y segunda paredes (32) y los primer y segundo espejos (16, 18) que definen una cavidad del laser de losa (14) dentro del cuerpo de ceramica (12),

un primer electrodo (24) posicionado fuera del recinto hermetico que contiene el gas de laser y es adyacente a la primera pared (32) del cuerpo de ceramica (12),

un primer disipador de calor (56) posicionado fuera del recinto hermetico que contiene el gas de laser y acoplado termicamente al primer electrodo (24), el primer disipador de calor (56) que se posiciona cerca del primer electrodo (24) con un primer material electricamente aislante (60) dispuesto entre el primer disipador de calor (56) y el primer electrodo (24),

un segundo electrodo (26) posicionado fuera del recinto hermetico que contiene el gas de laser y es adyacente a la segunda pared (32) del cuerpo de ceramica (12),

un segundo disipador de calor (56) posicionado fuera del recinto hermetico que contiene el gas de laser y acoplado termicamente al segundo electrodo (26), el segundo disipador de calor (56) que se posiciona cerca del segundo electrodo (26) con un segundo material electricamente aislante (60) dispuesto entre el segundo disipador de calor (56) y el segundo electrodo (26), y

un amplificador de potencia de radiofrecuencia (50) configurado para excitar el gas de laser dispuesto en la cavidad del laser de losa (14) mediante la aplicacion de una senal de excitacion a un circuito resonante que incluye los primer y segundo electrodos (24, 26), en donde el primer electrodo (24), el primer material electricamente aislante (60), y el primer disipador de calor (56) funcionan como un primer capacitor del circuito resonante, en donde el segundo electrodo (26), el segundo material electricamente aislante (60), y el segundo disipador de calor (56) funcionan como un segundo capacitor del circuito resonante, y en donde los primer y segundo electrodos (24, 26), las porciones del cuerpo de ceramica (12), y el gas de laser funcionan como un tercer capacitor del circuito resonante.
2. El laser (10) de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde los primer y segundo materiales electricamente aislantes (60) comprenden cada uno una tira de ceramica delgada.
3. El laser (10) de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde los primer y segundo materiales electricamente aislantes (60) comprenden cada uno una pasta termicamente conductora curada que comprende un material dielectrico.
4. El laser (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el cuerpo de ceramica (12) comprende alumina.
5. El laser (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos uno de los primer y segundo espejos (16, 18) se superpone al menos parcialmente sobre un orificio opuesto (42) formado en el cuerpo de ceramica (12).
6. El laser (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el cuerpo de ceramica (12) incluye ademas un primer deposito de gas (36) formado en este, el primer deposito de gas (36) que esta en comunicacion de gas con la cavidad del laser de losa (14 ) a traves de una o mas ranuras de comunicacion de gas (40) que se extienden entre estas, la una o mas ranuras de comunicacion de gas (40) que se disponen a lo largo de un lado (34) de la cavidad del laser de losa (14) que se extiende entre las primera y segunda paredes (32) del cuerpo de ceramica (12).
7. El laser (10) de acuerdo con la cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde el primer electrodo (24) se recibe al menos parcialmente en una primera ranura (48) formada en una superficie exterior del cuerpo de ceramica (12) y el segundo electrodo (26) es al menos parcialmente recibida en una segunda ranura (48) formada en una superficie exterior de en el cuerpo de ceramica (12).
8. El laser (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los primer y segundo electrodos (24, 26) se posicionan de manera que las porciones del gas de laser adyacentes a los primer y segundo espejos (16, 18) no se excitan cuando el amplificador de potencia de radio frecuencia aplica la senal de excitacion al circuito resonante que incluye los primer y segundo electrodos (24, 26).

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9. El laser (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los primer y segundo electrodos (24, 26) se posicionan de manera que las porciones del gas de laser adyacentes a los primer y segundo espejos (16, 18) no se excitan cuando el amplificador de potencia de radio frecuencia aplica la senal de excitacion al circuito resonante que incluye los primer y segundo electrodos (24, 26).
10. El laser (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el circuito resonante comprende ademas una pluralidad de bobinas de resonancia (52) posicionadas adyacentes al cuerpo de ceramica (12) y acopladas electricamente en paralelo entre los primer y segundo electrodos (24, 26).
11. El laser (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los primer y segundo espejos (16, 18) forman uno de un resonador de espacio libre (22), un resonador multiplegado de espacio libre (22), un resonador de rama positiva inestable de espacio libre (22), un resonador de rama negativa inestable de espacio libre (22), un resonador de rama positiva inestable de gula de ondas (22), y un resonador de rama negativa inestable de gula de ondas (22) en la cavidad del laser de losa (14).
12. El laser (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una primera dimension transversal de la cavidad del laser de losa (14) es al menos dos veces tan grande como una segunda dimension transversal de la cavidad del laser de losa (14), la primera dimension transversal que es paralela a las primera y la segunda paredes (32) del cuerpo de ceramica (12) y la segunda dimension transversal que es perpendicular a las primera y segunda paredes (32) del cuerpo de ceramica (12).
13. El laser (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer disipador de calor (56) se asegura a una distancia predeterminada del primer electrodo (24) independientemente de una temperatura del cuerpo de ceramica (12) y el segundo disipador de calor (56) se asegura a una distancia predeterminada del segundo electrodo (26) independientemente de la temperatura del cuerpo de ceramica (12).
14. El laser (10) de acuerdo con la reivindicacion 13, que comprende ademas un separador (62) que conecta los primer y segundo disipadores de calor (56), el separador (62) que se forma de un material que tiene un coeficiente de expansion termica que coincide sustancialmente con un coeficiente de expansion termica del cuerpo de ceramica (12) y con un coeficiente de expansion termica de los primer y segundo electrodos (24, 26).