ES2966706T3 - Láser de gas excitado por radiofrecuencia - Google Patents

Abstract

Un láser de gas de dióxido de carbono (CO2) o monóxido de carbono (CO) excitado por radiofrecuencia incluye dos electrodos, que tienen superficies pasivadas, dentro de una carcasa sellada. Las características de una losa cerámica o un cilindro cerámico ubicado entre los electrodos definen un volumen de ganancia. Las superficies de la losa cerámica o del cilindro cerámico están separadas de las superficies pasivadas de los electrodos mediante pequeños espacios para evitar la abrasión de los mismos. La reducción de las fuerzas de compresión que aseguran estos componentes dentro de la carcasa reduce aún más la abrasión, extendiendo así la vida útil operativa del láser de gas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Láser de gas excitado por radiofrecuencia

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere, en general, al dióxido de carbono (CO2) y a láseres de gas de monóxido de carbono (CO). La invención se refiere, en particular, al CO2excitado por radiofrecuencia (RF) y a láseres de gas de CO que tienen un componente cerámico para confinar el gas excitado por RF.

Exposición de la técnica anterior

Los láseres de CO2se han utilizado durante décadas en procesos industriales, en donde la longitud de onda infrarroja (IR) y la potencia relativamente alta de un láser de CO2son ventajosas. El medio emisor de láser es una descarga de gas en una mezcla gaseosa de CO2. La mezcla gaseosa habitualmente incluye de un 10 % a un 20 % de CO2y se mantiene a menos de una atmósfera de presión. La mezcla gaseosa se energiza para generar la descarga de gas aplicando una corriente eléctrica o un campo de RF entre dos electrodos. Los láseres de CO2pueden suministrar radiación láser de salida a longitudes de onda infrarrojas dentro de un intervalo de aproximadamente 9 micrómetros (|μm) a aproximadamente 11 μm . Recientemente, se han comercializado láseres de CO que suministran una radiación láser de salida a longitudes de onda infrarrojas más cortas, en un intervalo de aproximadamente 5,2 μm a aproximadamente 6,0 μm .

Un láser de gas se puede configurar como un láser de guía de ondas o un láser de losa. En un láser de gas de guía de ondas, la descarga de gas se establece dentro de una guía de ondas larga y comparativamente estrecha. Un resonador láser se forma alrededor de la mezcla gaseosa energizada mediante espejos resonantes, situados en cada extremo de la guía de ondas, que dirigen la radiación láser en una dirección longitudinal. La guía de ondas estrecha restringe uno o más modos de radiación láser en dos direcciones transversales mutuamente ortogonales. La radiación láser se amplifica por emisión estimulada durante múltiples pasadas a través de la descarga de gas. Los láseres de guía de ondas de CO2y CO son capaces de proporcionar un haz de salida inherentemente de alta calidad, con buena potencia y estabilidad de longitud de onda, pero a potencias promedio relativamente bajas. Habitualmente, a una potencia promedio inferior a aproximadamente 150 vatios (W). Se describe un láser de CO2de guía de ondas en las patentes estadounidenses 6.192.061 y 6.788.722, cada una de las cuales es propiedad del cesionario de la presente invención.

En un láser de gas de losa, la descarga de gas se establece en un volumen entre unas superficies planas de guía de ondas de dos electrodos muy próximos entre sí. Se forma un resonador láser alrededor de la mezcla gaseosa energizada mediante dos espejos resonantes. En una dirección transversal, el pequeño espacio ("espacio de descarga") entre los dos electrodos define una guía de ondas que restringe los modos de radiación láser. En la dirección transversal ortogonal, los espejos resonantes habitualmente definen un resonador láser inestable. La radiación láser sale del resonador láser inestable como un haz aproximadamente colimado, pasando a través de un orificio en uno de los espejos resonantes o pasando por un borde exterior de uno de los espejos resonantes. Se describe un láser de CO2de losa en las patentes estadounidenses 6.256.332 y 7.263.116, cada una de las cuales es propiedad del cesionario de la presente invención.

Los láseres de CO2y de CO de losa son capaces de suministrar un haz de salida a una potencia promedio de hasta aproximadamente 8 kilovatios (kW). Sin embargo, el haz de salida tiene inherentemente una sección transversal alargada. Se requieren ópticas de acondicionamiento de haz adicionales para transformar el haz de salida en una forma de sección transversal más útil. Por ejemplo, en una forma circular. Los láseres de CO2de losa normalmente se operan en un modo pulsado, suministrando pulsos de radiación láser que tienen elevados picos de potencia. Los láseres de gas de losa o de guía de ondas de alta potencia requieren enfriamiento por agua o enfriamiento por aire forzado para eliminar el calor residual.

Una configuración temprana, ilustrada en la Figura 1A, para láseres de gas de guía de ondas confina la descarga de gas en un tubo de vidrio o cerámica que está intercalado entre dos electrodos conformados. Otra configuración de guía de ondas común, ilustrada en la Figura 1B, confina la descarga de gas en un canal mecanizado en una placa cerámica rectangular que se intercala entre dos electrodos planos. En estas dos configuraciones, la guía de ondas se puede doblar usando espejos para aumentar el volumen de descarga de gas, sin aumentar significativamente el tamaño total del láser. Una configuración similar para un láser de gas de losa se ilustra en la Figura 1C. Una fina placa cerámica proporciona enfriamiento por difusión del gas y permite escalar los láseres de gas de losa a potencias promedio de kilovatios. La solicitud de patente estadounidense 2019/0280448, propiedad del cesionario de la presente invención, describe varias disposiciones de láseres de CO2de losa con elevados picos de potencia que se enfrían por conducción a través de las superficies exteriores de la carcasa del láser.

La eficiencia del láser y su capacidad de respuesta a los cambios en la potencia de RF dependen de las concentraciones precisas de los componentes en la mezcla gaseosa. En muchos láseres industriales contemporáneos, la carcasa del láser está "sellada", lo que significa que no hay gas circulando que reponga continuamente el volumen de descarga de gas. Tales láseres sellados son más pequeños, más simples y requieren menos mantenimiento. Estos láseres utilizan metales pasivados dentro de la carcasa; por ejemplo, electrodos hechos de aluminio pasivado. Una capa de pasivación estable sobre una superficie metálica impide que se agote el oxígeno atómico y molecular creado por la disociación del CO2excitado o de las moléculas de CO. De lo contrario, este oxígeno formaría un óxido metálico en una superficie expuesta, reduciendo de ese modo la concentración de CO2o de CO en la mezcla gaseosa.

Una desventaja de las configuraciones descritas anteriormente que tienen un tubo cerámico o una placa cerámica intercalada entre electrodos metálicos es que la fricción entre los mismos puede eliminar la capa de pasivación de los electrodos. Esta fricción está provocada por la expansión y contracción térmica diferencial en respuesta a cambios en la potencia de RF aplicada. En los láseres de CO2, el agotamiento de oxígeno y CO2se produce a una velocidad que es lo suficientemente lenta como para considerar el rendimiento degradado del láser como una molestia que puede superarse parcialmente aumentando la potencia de RF. Sin embargo, incluso un pequeño cambio de aproximadamente un 0,1 % en la concentración de CO en una mezcla gaseosa de CO puede desactivar un láser de CO.

La solicitud de patente estadounidense, con n.° de publicación US2019/280448, divulga un láser de dióxido de carbono de losa de descarga de gas.

La patente estadounidense n.° US6693944 divulga un láser de iones metálicos de pulverización.

La solicitud de patente internacional, con n.° de publicación WO2009/105174, divulga un láser de CO2refrigerado por difusión con carcasa flexible.

La solicitud de patente estadounidense, con n.° de publicación US2012/281728, divulga un láser de CO2de guía de ondas con resonador doblado múltiple.

Existe la necesidad de una arquitectura de láser de gas sellado que tenga una vida útil operativa más larga, sin comprometer las ventajas de las configuraciones metálica y cerámica descritas anteriormente. Preferentemente, esta arquitectura añadiría un coste y una complejidad mínimos.

Sumario de la divulgación

Los aspectos de la presente invención están definidos por las reivindicaciones independientes de más adelante a las que se debe hacer referencia ahora. Las características opcionales están definidas por las reivindicaciones dependientes.

En un aspecto, un láser de gas excitado por radiofrecuencia de acuerdo con la presente divulgación comprende una carcasa que contiene el gas, un primer electrodo alargado a lo largo de un eje longitudinal y un segundo electrodo alargado a lo largo del eje longitudinal y paralelo al primer electrodo. Los electrodos primero y segundo están situados en la carcasa y están mutuamente separados a una distancia D. Entre los electrodos primero y segundo está situada una losa dieléctrica que define un volumen de ganancia cuando el gas es excitado por un campo de radiofrecuencia. La losa dieléctrica tiene unas superficies opuestas, primera y segunda, paralelas a los electrodos primero y segundo. La primera superficie de la losa dieléctrica está sustancialmente separada del primer electrodo por un primer espacio y la segunda superficie de la losa dieléctrica está sustancialmente separada del segundo electrodo por un segundo espacio.

En otro aspecto, un láser de gas excitado por radiofrecuencia de acuerdo con la presente invención comprende una carcasa que contiene el gas. Un cilindro dieléctrico hueco está situado en la carcasa y está orientado a lo largo de un eje longitudinal. El cilindro dieléctrico define un volumen de ganancia cuando el gas es excitado por un campo de radiofrecuencia. El volumen de ganancia es el interior hueco del cilindro dieléctrico. Un primer electrodo tiene una primera superficie que es concéntrica con una superficie exterior del cilindro dieléctrico. Un segundo electrodo tiene una segunda superficie que es concéntrica a la superficie exterior del cilindro dieléctrico. Los electrodos primero y segundo están situados en lados opuestos del cilindro dieléctrico. La primera superficie está separada de la superficie exterior por un primer espacio y la segunda superficie está separada de la superficie exterior por un segundo espacio.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos adjuntos, que están incorporados en la presente memoria descriptiva y forman parte de la misma, ilustran esquemáticamente una realización preferida de la presente invención, y junto con la descripción general aportada anteriormente y la descripción detallada de la realización preferida que se aporta más adelante, sirven para explicar los principios de la presente invención.

Las Figuras 1A y 1B son vistas en sección transversal, que ilustran esquemáticamente configuraciones comunes de guía de ondas para un láser de gas.

La Figura 1C es una vista en sección transversal, que ilustra esquemáticamente una configuración de losa común para un láser de gas.

La Figura 2 es una vista en perspectiva, que ilustra esquemáticamente características y funciones básicas de un láser de CO2o de CO de losa de la técnica anterior.

La Figura 3 es una vista en perspectiva, parcialmente cortada, que ilustra esquemáticamente un láser de CO2o CO de losa de la técnica anterior, que incluye una placa cerámica (sombreada) que define un volumen de ganancia rectangular.

La Figura 4 es una vista en perspectiva, parcialmente cortada, que ilustra esquemáticamente un láser de CO2o CO de guía de ondas de la técnica anterior, que incluye una placa cerámica (sombreada) que tiene canales que definen un volumen de ganancia.

La Figura 5 es una vista en sección transversal, vista generalmente en la dirección 5-5 de la Figura 4, que ilustra adicionalmente el láser de CO2o CO de guía de ondas de la técnica anterior.

La Figura 6 es una vista en sección transversal, que ilustra esquemáticamente una realización preferida de un láser de CO2o CO de losa excitado por RF de acuerdo con la presente invención, que incluye un primer electrodo de tierra que es una superficie interior de una carcasa, un segundo electrodo vivo, una losa dieléctrica situada entre los mismas y separada de los mismas por los espacios primero y segundo, respectivamente, y un pasador de espiga para mantener la alineación de la placa dieléctrica.

La Figura 7 es una vista ampliada en la misma sección transversal que la Figura 6, que ilustra esquemáticamente una bola de precisión para crear los espacios primero y segundo, un bloque de alineamiento para fijar la placa dieléctrica, un pasador de espiga para fijar una barra aislante y un resorte para proporcionar una fuerza controlada y una conexión eléctrica.

Las Figuras 8A y 8B son vistas ampliadas en una sección transversal diferente a la de las Figuras 6 y 7, que ilustran esquemáticamente ejemplos de la barra aislante para impedir descargas parásitas y un pasador de espiga para fijar un conjunto inductor.

La Figura 9 es una vista en planta en sección transversal del láser de losa de la invención de las Figuras. 6 - 8B, que ilustran esquemáticamente ubicaciones ilustrativas de las bolas de precisión, los bloques de alineamiento y los pasadores de espiga.

La Figura 10 es una vista en sección transversal, que ilustra esquemáticamente una realización preferida de un láser de CO2o de CO de guía de ondas excitado por RF de acuerdo con la presente invención, que incluye unos electrodos primero y segundo y un cilindro dieléctrico hueco situado entre los mismos y separado de los mismos por los espacios primero y segundo, respectivamente.

Descripción detallada de la invención

A continuación, haciendo referencia a los dibujos, en donde los componentes similares se designan con números similares, La Figura 2 es una vista en perspectiva, que ilustra esquemáticamente las características básicas y la función de un láser de CO2o CO de losa 10 de la técnica anterior. El láser de losa 10 tiene la configuración ilustrada en la Figura 1C e incluye unos electrodos superior e inferior, paralelos, 12 y 14, que tienen forma rectangular. Los electrodos 12 y 14 están separados por una placa cerámica 16, que define un espacio de descarga entre los mismos. La placa cerámica 16 está resaltada por un sombreado diagonal.

El espacio de descarga está situado en un resonador inestable formado por dos espejos resonantes cóncavos 18 y 20. Una fuente de alimentación de RF 22 está conectada eléctricamente al electrodo basculante 12. El electrodo inferior 14 está conectado a tierra. Habitualmente, los electrodos están situados dentro de una carcasa estanca a los gases (no mostrada) que contiene la mezcla gaseosa. Las mezclas gaseosas para los láseres de CO2y de CO son bien conocidas en la técnica. Los gases y la presión de los componentes pueden variar de acuerdo con las preferencias del fabricante y, por lo general, están patentados.

Cuando se aplica potencia de RF al electrodo superior 12 para energizar la mezcla gaseosa, se produce una descarga de gas en el espacio de descarga, proporcionando ganancia óptica en el resonador. Un hueco mecanizado en la placa cerámica 16 confina el gas excitado y define, de ese modo, un volumen de ganancia. La radiación láser 24 circula por el resonador, como se indica mediante líneas discontinuas, y está amplificada progresivamente por la ganancia óptica. La radiación láser amplificada ilumina los espejos resonantes 18 y 20. Una porción del mismo se derrama fuera del resonador, pasando por el espejo resonador 18, como radiación láser de salida 26. La radiación láser de salida 26 forma un haz en expansión que tiene una sección transversal rectangular. La óptica de acondicionamiento de haz opcional 28 puede convertir el haz a una forma más útil, tal como un haz colimado 30 que tiene una sección transversal circular. Las ópticas de acondicionamiento de haz habitualmente están situadas fuera de la carcasa estanca al gas.

La Figura 3 es una vista en perspectiva, parcialmente cortada, que ilustra esquemáticamente un ejemplo de láser de losa 10. Una carcasa estanca a los gases incluye una extrusión de metal hueca 40, parcialmente recortada para ilustrar los componentes internos y su disposición en el láser. La extrusión 40 está eléctricamente conectada a tierra. Una placa de extremo (no representada en el dibujo) en cada extremo de la extrusión sella la carcasa del láser. Cada placa de extremo incorpora uno de los espejos resonantes.

Una superficie interior 42 de la extrusión 40 proporciona un electrodo de tierra para el láser de losa 10. Otro electrodo vivo 44 que tiene una superficie inferior 46 está situado dentro de la extrusión 40. La superficie conectada a tierra 42 y la superficie viva 46 se extienden a lo largo de la longitud de la extrusión. La superficie viva 46 está separada de la superficie conectada a tierra 42 por la placa cerámica 16. El hueco en la placa cerámica define una anchura y una altura del volumen de ganancia.

Un par de barras aislantes de cerámica 48 aíslan eléctricamente el electrodo vivo 44 de la extrusión conectada a tierra 40. Las barras aislantes 48 también soportan un conjunto inductor 50, que incluye una pluralidad de inductores para homogeneizar la descarga de gas por todo el volumen de ganancia. Una vía de paso eléctrico 52 conecta la potencia de RF desde la fuente de alimentación de RF al electrodo vivo 44. La vía de paso 52 está conectada eléctricamente al electrodo vivo 44 y está aislada eléctricamente de la extrusión 40 conectada a tierra. El conjunto inductor 50 está conectado eléctricamente a la extrusión 40 a través de tiras de resorte 54, formando de ese modo un circuito eléctrico resonante, paralelo, completo. Las tiras de resorte 54 y las barras aislantes 48 retienen conjuntamente el electrodo vivo 44, la placa cerámica 16 y el conjunto inductor 50 en su posición dentro de la extrusión. Se requieren tiras de resorte muy fuertes, que aplican una gran fuerza de sujeción, para retener todos estos componentes. La fuerza de sujeción debe ser suficiente para retener estos componentes con precisión en su posición durante la fabricación, manipulación y transporte del láser de losa.

La Figura 4 es una vista en perspectiva, parcialmente cortada, que ilustra esquemáticamente un láser de CO2o de CO de guía de ondas 60 de la técnica anterior. La Figura 5 es una vista de extremo en sección transversal del láser de guía de ondas 60, que está doblado y tiene la configuración ilustrada en la Figura 1B. El láser de guía de ondas 60 es similar al láser de losa 10, pero tiene canales 62 mecanizados en una placa cerámica 64 que define la guía de ondas. Los canales 62, en el presente documento, son rectangulares en sección transversal con esquinas puntiagudas. Estos canales también pueden tener esquinas redondeadas o ser redondos en sección transversal. Por lo demás, la disposición de las piezas dentro de la extrusión 40 es la misma. El resonador está formado por dos espejos resonantes y espejos de dos pliegues que se incorporan en placas de extremo (no representadas en los dibujos). Un espejo resonante es altamente reflectante a la longitud de onda de la radiación láser. El otro espejo resonante es parcialmente reflectante y permite que la radiación láser de salida se acople fuera del resonador.

La Figura 6 es una vista de extremo en sección transversal que ilustra esquemáticamente una realización del láser de gas excitado por RF 80 de acuerdo con la presente invención. El láser de gas 80 incluye una carcasa 82 que contiene el gas. En el presente documento, la carcasa 82 tiene forma de extrusión metálica hueca. Un primer electrodo 84 en forma de una superficie interior de la carcasa 82 se alarga a lo largo de un eje longitudinal (perpendicular al plano del dibujo) del láser de gas. Un segundo electrodo 86 se alarga a lo largo del eje longitudinal y es paralelo al primer electrodo. Una losa dieléctrica 88 que tiene canales mecanizados 90 está situada entre los electrodos primero y segundo. Los canales 90 se extienden a lo largo de toda la longitud de la losa dieléctrica 88 y están dispuestos para formar una guía de ondas doblada. Los canales 90 definen un volumen de ganancia cuando el gas es excitado por un campo de RF. El primer electrodo, la losa dieléctrica y el segundo electrodo están situados dentro de la carcasa y, por lo tanto, están sumergidos en el gas.

La losa dieléctrica 88 tiene una primera superficie 92 y una segunda superficie opuesta 94 que son paralelas a los electrodos primero y segundo. La primera superficie 92 está separada del primer electrodo 84 por un primer espacio y la segunda superficie 94 está separada del segundo electrodo 86 por un segundo espacio. Los espacios primero y segundo se crean y mantienen mediante bolas de precisión 96, que están situadas en orificios pasantes de la losa dieléctrica 88 que tienen un diámetro ligeramente mayor que las bolas de precisión. Cada bola de precisión 96 está en contacto con ambos electrodos y, por lo tanto, las bolas de precisión están hechas de un material eléctricamente aislante. El diámetro de las bolas de precisión 96 se selecciona para conseguir una suma deseada de las distancias de separación de los espacios primero y segundo. Se pueden mecanizar rebajes opcionales en el segundo electrodo 86 para establecer con precisión estas separaciones, como se ha representado en el dibujo. Como alternativa, los rebajes pueden mecanizarse en la carcasa 82 o los rebajes complementarios pueden mecanizarse tanto en el segundo electrodo como en la carcasa. La losa dieléctrica 88 está "flotando" entre los dos electrodos y no tiene contacto mecánico con los mismos.

El funcionamiento eficiente del láser de gas 80 depende críticamente de mantener una alineación precisa de la losa dieléctrica 88 con respecto a los espejos resonantes y los espejos de doblado. La alineación lateral se mantiene comprimiendo la losa dieléctrica 88 entre los bloques de alineamiento 98 y los conjuntos de resorte precargados 100 unidos a las superficies interiores opuestas de la carcasa 82. En el presente documento, cada bloque de alineamiento 98 está emparejado con un conjunto de resorte 100. Se requieren al menos dos pares para asegurar la losa dieléctrica dentro de la carcasa y, de ese modo, alinear la losa dieléctrica con respecto a los espejos. Preferentemente, estos pares están situados cerca de cada extremo de la losa dieléctrica. La losa dieléctrica puede asegurarse adicionalmente mediante bloques de alineamiento adicionales y/o conjuntos de resorte situados entre los mismos.

La alineación longitudinal de la losa dieléctrica 88 se mantiene mediante pasadores de espiga 102, que están situados en orificios pasantes de la losa dieléctrica y los correspondientes orificios ciegos en cada uno de los electrodos. Se requiere al menos un pasador de espiga 102 para alinear la losa dieléctrica de forma segura con respecto a la carcasa.

El segundo electrodo 86 está asegurado en el eje lateral horizontal (del dibujo) y el eje longitudinal mediante pasadores de espiga 102. En el presente documento se usan términos tales como "horizontal" y "vertical" para facilitar la descripción, pero no pretenden limitar la orientación espacial del láser de gas en funcionamiento. Se requieren al menos dos pasadores de espiga 102 para restringir mecánicamente el segundo electrodo 86 con respecto a la losa dieléctrica 88 y la carcasa 82. Preferentemente, los pasadores de espiga 102 estarían hechos de un material eléctricamente aislante. Preferentemente, estos pasadores de espiga están ampliamente separados en relación con la longitud del segundo electrodo 86. El segundo electrodo se puede asegurar adicionalmente mediante pasadores de espiga adicionales situados entre los mismos.

Un conjunto inductor 104, un par de barras aislantes 106 y un segundo electrodo 86 están asegurados en el eje lateral vertical (del dibujo) por la fuerza de compresión proporcionada por los resortes 108. Las barras aislantes 106 están resaltadas por un sombreado diagonal. La Figura 7 es una vista ampliada, en la misma sección transversal que la Figura 6, que ilustra detalles de estos componentes en el láser de gas 80. Unos resortes 108, situados en cada lado lateral horizontal del láser de gas 80, empujan estos componentes contra unas bolas de precisión 96. El primer electrodo 84 y el segundo electrodo 86 están separados entre sí a una distancia D, la primera superficie 92 está separada del primer electrodo 84 por un primer espacio d<1>y la segunda superficie 94 está separada del segundo electrodo 86 por un segundo espacio d<2>.

Estas separaciones son uniformes por todo el volumen entre los electrodos paralelos. Preferentemente, el primer espacio es de al menos 0,001 D (0,1 % de D) y el segundo espacio también es de al menos 0,001 D. Más preferentemente, el primer espacio es de al menos 0,0025 D (0,25 % de D) y el segundo espacio también es de al menos 0,0025 D. Un límite superior práctico para cada uno de los espacios primero y segundo es de aproximadamente 0,15 D (15% de D). La distancia D entre los electrodos habitualmente estaría en un intervalo de aproximadamente 2 mm a aproximadamente 6 mm. Las bolas de precisión 96 que tienen un diámetro específico con una tolerancia de 2,5 |μm o menos conseguirían suficiente uniformidad. Unas bolas de precisión hechas de materiales eléctricamente aislantes, tales como la cerámica, están disponibles comercialmente. Por ejemplo, en CCR Products LLC de West Hartford, Conneticut.

En el presente documento, los resortes 108 son resortes de palanca que se extienden longitudinalmente a lo largo de la longitud del conjunto inductor, las barras aislantes y el segundo electrodo. Dichos resortes de palanca proporcionan una fuerza controlada por unidad de longitud y proporcionan una conexión eléctrica entre la carcasa 82 y el conjunto inductor 104. Se pueden mecanizar rebajes conformados opcionales en el conjunto inductor para ayudar a asegurar los resortes de palanca en el conjunto inductor, como se ha representado. Los resortes de palanca están disponibles comercialmente como artículos de catálogo, con diferentes formas de sección transversal y hechos de diferentes materiales.

Las barras aislantes 106 están aseguradas en el eje lateral horizontal y el eje longitudinal mediante pasadores de espiga 110, que, en el presente documento, están situados en orificios pasantes del segundo electrodo 86 y los correspondientes orificios ciegos en cada barra aislante 106. Los pasadores de espiga 110 descansan sobre la segunda superficie 94 de la losa dieléctrica 88. Como alternativa, los pasadores de espiga 110 podrían situarse en orificios ciegos tanto en el segundo electrodo 86 como en la barra aislante 106. Se requieren al menos dos pasadores de espiga 110 para restringir mecánicamente cada barra aislante 106 con respecto al segundo electrodo 86. Preferentemente, estos pasadores de espiga están situados hacia los extremos de cada barra aislante. Las barras aislantes pueden asegurarse además mediante pasadores de espiga adicionales situados entre las mismas.

La Figura 8A es otra vista ampliada del láser de gas 80 en una sección transversal diferente de las Figuras 6 y 7. El conjunto inductor 104 está asegurado en el eje lateral horizontal y el eje longitudinal mediante pasadores de espiga 112, que están situados dentro de unos orificios ciegos en las barras aislantes 106 y los correspondientes orificios ciegos en el conjunto inductor. Preferentemente, un pasador de espiga 112 está situado hacia el extremo de cada barra aislante. El conjunto inductor puede asegurarse además mediante pasadores de espiga adicionales situados entre medias.

Las barras aislantes 106 se extienden por dentro del volumen V (indicado por líneas discontinuas) entre el segundo electrodo 86 y la carcasa 82 a lo largo de la mayor parte de la longitud del mismo. Extender las barras aislantes por dentro del volumen V aumenta el umbral de potencial eléctrico para la creación de descargas parásitas indeseables entre el segundo electrodo y la carcasa. En el láser de gas 80, la capacitancia a través del primer espacio d<1>y el segundo espacio d<2>requiere una potencia de RF aplicada más alta para producir una descarga en el volumen de ganancia y acoplar una potencia dada en el plasma de gas en el mismo. Extender las barras aislantes mitiga las descargas parásitas que, de lo contrario, podrían producirse por esta potencia de RF más alta.

La Figura 8B es una vista ampliada del láser de gas 80 en la misma sección transversal que la Figura 8A, pero que ilustra esquemáticamente otro ejemplo de barra aislante 106 que se descubrió que era aún más efectiva para impedir descargas parásitas. La barra aislante de la Figura 8B ocupa la mayor parte del volumen V entre el segundo electrodo y la carcasa. Sin embargo, la barra aislante 106 aún está separada tanto de la carcasa 82 como del segundo electrodo 86. Impedir un contacto físico entre la barra aislante y las superficies metálicas de la carcasa y el segundo electrodo impide el roce de las superficies metálicas, lo que a su vez impide que se agote el oxígeno de la mezcla gaseosa.

La carcasa 82, que incluye el primer electrodo 84 y el segundo electrodo 86 están hechos preferentemente de un metal pasivado. Por ejemplo, hecho de una aleación de aluminio autopasivado o una aleación de aluminio anodizado. La losa dieléctrica 88 está preferentemente hecha de un material cerámico que tiene una conductividad térmica relativamente alta. Por ejemplo, está hecha de nitruro de aluminio (AlN), óxido de aluminio (AhOa) u óxido de berilio (BeO). Las barras aislantes 106 y los pasadores de espiga 102 también están hechos preferentemente de un material cerámico. De hecho, la losa dieléctrica 88, las barras aislantes 106, las bolas de precisión 96 y los pasadores de espiga 102 podrían estar todos hechos del mismo material cerámico, tal como el óxido de aluminio.

La Figura 9 es una vista en planta en sección transversal de un láser de gas 80 que ilustra esquemáticamente ejemplos de ubicaciones de bloques de alineamiento 98, conjuntos de resorte 100, bolas de precisión 96 y pasadores de espiga 102 con respecto a la losa dieléctrica 88. En el ejemplo representado, ocho bolas de precisión 96 están situadas en orificios (círculos abiertos) distribuidos a través de la losa dieléctrica para garantizar que el primer espacio d<1>y el segundo espacio d<2>sean uniformes. Dos pasadores de espiga 102 están situados en orificios (círculos sombreados) ampliamente separados a lo largo de la longitud de la losa dieléctrica. Cuatro pasadores de espiga 110 descansan sobre la segunda superficie 94 de la losa dieléctrica 88 en las ubicaciones ilustrativas indicadas por círculos opacos. Cuatro pasadores de espiga 112 capturados dentro de las barras aislantes 106 y el conjunto inductor 104 están próximos a las ubicaciones ilustrativas, indicados por cruces diagonales.

Una ventaja del láser de gas de la invención, que tiene un pequeño espacio entre la placa dieléctrica y cada electrodo, sobre los láseres de gas de la técnica anterior es que las superficies de la losa dieléctrica no pueden raspar las capas de pasivación de las superficies de los electrodos. Cada electrodo tiene solo un punto de contacto con cada bola de precisión. A medida que las superficies de la losa dieléctrica y los electrodos se mueven unas con respecto a otras debido a la expansión y contracción térmica diferencial, las bolas de precisión son esencialmente cojinetes que ruedan sobre las superficies pasivadas de los electrodos con un raspado mínimo.

Otra ventaja del láser de gas de la invención es que el conjunto inductor 104, la barra aislante 106 y el segundo electrodo 86 están asegurados en dos ejes por los pasadores de espiga 110 y lo pasadores de espiga 112. Estos componentes están asegurados en el otro eje por una fuerza de compresión relativamente modesta proporcionada por el resorte 108. Los diseños de la técnica anterior se basaban en la fricción estática entre superficies en contacto mutuo para asegurar tales componentes y, por lo tanto, requerían una fuerza de compresión mucho más fuerte. La reducción de esta fuerza de compresión impide que las bolas de precisión deformen los electrodos y minimiza la fricción entre las bolas de precisión y los electrodos.

En el láser de gas de la invención, la fuerza de compresión debe ser suficiente para asegurar los componentes en su sitio e impedir el movimiento de la placa dieléctrica con respecto a los espejos resonantes debido a choques mecánicos y vibraciones. A modo de ejemplo, se midió la fuerza de compresión para que estuviera entre 65 Newton (N) y 105 N en diferentes disposiciones del láser de la invención. En disposiciones equivalentes de la técnica anterior, la fuerza de compresión requerida se midió para que estuviera entre 525 N y 1050 N.

Las fuerzas de compresión relativamente modestas requeridas para asegurar los componentes del láser de la invención permiten realizaciones que tienen algún contacto entre las superficies de la losa dieléctrica y los electrodos, debido a la fricción reducida entre las mismas. El láser de gas 80 descrito anteriormente no tiene tal contacto y esencialmente elimina el raspado de las capas de pasivación en las superficies de los electrodos. Sin embargo, las realizaciones en donde la losa dieléctrica está sustancialmente separada de cada electrodo por un espacio pueden reducir las tasas de agotamiento de los componentes en la mezcla gaseosa lo suficiente como para conseguir una vida útil operativa deseada. En el presente documento, la expresión "sustancialmente separados" significa que al menos el 75 % de las superficies enfrentadas entre sí de la losa dieléctrica y el electrodo no están en contacto, y las fracciones más altas minimizarán aún más las tasas de agotamiento. Es más preferible una fracción de al menos un 85 % y es aún más preferible una fracción de al menos un 95 %.

Los inventores construyeron y probaron un láser de gas de la invención que tenía la configuración de guía de ondas doblada representada en las Figuras 6-8. Las distancias de los espacios d<1>y d<2>eran de aproximadamente 50 pm. La carcasa estaba sellada y contenía una mezcla gaseosa de CO. La potencia del láser de prueba de la invención se encendió y apagó periódicamente durante un tiempo prolongado que simuló las condiciones de uso industrial habituales para un láser de este tipo. El láser de prueba de la invención mantuvo potencias promedio por encima de un mínimo objetivo sin ninguna sustitución de gas. Otro láser de prueba que tenía una disposición equivalente de la técnica anterior requirió dos recargas de gas durante el mismo tiempo y en las mismas condiciones para mantener la misma potencia promedio objetivo.

Anteriormente, se ha descrito que el láser de gas de la invención tenía la configuración de guía de ondas de la Figura 1B. El láser de gas de la invención también puede tener la configuración de losa de la Figura 1C. Los canales 90 mecanizados en la losa dieléctrica 88 del láser de gas 80 se sustituirían por un hueco extendido lateralmente que define un volumen de ganancia cuando el gas es excitado por un campo de RF. Las bolas de precisión 96 y los pasadores de espiga 102 se situarían dentro de la losa dieléctrica 88, pero fuera del hueco, para no interrumpir la radiación láser que circula por dentro del volumen de ganancia del mismo.

El láser de gas de la invención también puede tener la configuración de guía de ondas de la Figura 1A. La Figura 10 es una vista de extremo en sección transversal que ilustra esquemáticamente otra realización del láser de gas 120 excitado por RF de acuerdo con la presente invención. Un cilindro dieléctrico hueco 122 está orientado a lo largo del eje longitudinal del láser de gas 120 y define un volumen de ganancia cuando el gas es excitado por un campo de RF. El volumen de ganancia es el interior hueco del cilindro dieléctrico 122.

Una superficie exterior del cilindro dieléctrico 122 es concéntrica con una primera superficie 134 de un primer electrodo 124 y una segunda superficie 136 de un segundo electrodo 126. Los electrodos primero y segundo están situados en lados opuestos del cilindro dieléctrico. La primera superficie 134 y la segunda superficie 136 están separadas por un diámetro D. La primera superficie está separada de la superficie exterior del cilindro dieléctrico 122 por un primer espacio d<3>. La segunda superficie está separada de la superficie exterior del cilindro dieléctrico 122 por un segundo espacio d<4>. Estos pequeños espacios se crean mediante varillas de precisión 128 situadas en ranuras longitudinales mecanizadas en las superficies del cilindro dieléctrico y los electrodos. Los diámetros de las varillas de precisión 128 se seleccionan para conseguir los espacios deseados d<3>y d<4>. Preferentemente, los espacios d<3>y d<4>son de al menos 0,001 D. Más preferentemente, los espacios d<3>y d<4>son de al menos 0,0025 D. Las varillas están hechas de un material dieléctrico, preferentemente, un material cerámico.

Aunque las realizaciones presentadas en el presente documento están dentro de las disposiciones de resonador, que incluyen espejos resonantes para la amplificación progresiva de la radiación láser en múltiples pasadas a través de un volumen de ganancia, los principios de la presente invención también pueden aplicarse a disposiciones de amplificador. En una disposición de amplificador de potencia de oscilador maestro (MOPA), el oscilador maestro es un resonador láser que proporciona radiación láser al amplificador de potencia para una amplificación adicional. El amplificador de potencia puede incluir un volumen de ganancia que contiene una mezcla gaseosa de CO2o CO excitado por RF, para escalar la energía de pulso y la potencia promedio de la radiación láser dirigida a través del mismo.

La presente invención se ha descrito anteriormente en términos de una realización preferida y otras realizaciones. La invención no está limitada, sin embargo, a las realizaciones descritas y representadas en el presente documento. En su lugar, la invención está limitada únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (22)

REIVINDICACIONES

1. Un láser de gas excitado por radiofrecuencia, que comprende:

una carcasa (82) que contiene el gas;

un primer electrodo (84) alargado a lo largo de un eje longitudinal;

un segundo electrodo (86) alargado a lo largo del eje longitudinal y paralelo al primer electrodo (84), estando los electrodos primero y segundo (84, 86) situados en la carcasa (82) y mutuamente separados a una distancia D; y una losa dieléctrica (88) situada entre los electrodos primero y segundo (84, 86) que define un volumen de ganancia cuando el gas es excitado por un campo de radiofrecuencia, teniendo la losa dieléctrica (88) superficies opuestas primera y segunda (92, 94) paralelas a los electrodos primero y segundo (84, 86);

en donde la primera superficie (92) de la losa dieléctrica (88) está sustancialmente separada del primer electrodo (84) por un primer espacio (di) y la segunda superficie (94) de la losa dieléctrica (88) está sustancialmente separada del segundo electrodo (86) por un segundo espacio (d<2>).

2. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 1, en donde los espacios primero y segundo (di, d<2>) están creados por bolas de precisión (96), cada una de las mismas en contacto con el primer electrodo (84) y el segundo electrodo (86).

3. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 2, en donde las bolas de precisión (96) están hechas de un material cerámico.

4. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 1, en donde la distancia D está en un intervalo de entre 2 milímetros y 6 milímetros.

5. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 1, en donde el primer espacio (di) es de al menos 0,001 D y el segundo espacio (d<2>) es de al menos 0,001 D.

6. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 5, en donde el primer espacio (d<1>) es de al menos 0,0025 D y el segundo espacio (d<2>) es de al menos 0,0025 D.

7. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 1, en donde la alineación lateral de la losa dieléctrica (88) se mantiene comprimiendo la losa dieléctrica (88) entre al menos dos bloques de alineamiento (98) y al menos dos conjuntos de resorte precargados (100), estando los bloques de alineamiento (98) y los conjuntos de resorte precargados (100) unidos a superficies interiores opuestas de la carcasa (82).

8. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 1, en donde la alineación longitudinal de la placa dieléctrica (88) se mantiene mediante al menos un pasador de espiga (102) situado en unos orificios pasantes de la losa dieléctrica (88) y los correspondientes orificios ciegos en cada uno de los electrodos (84, 86).

9. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 1, en donde el segundo electrodo (86) está asegurado lateral y longitudinalmente por al menos dos pasadores de espiga (102) situados en orificios pasantes de la placa dieléctrica (88) y los correspondientes orificios ciegos en cada uno de los electrodos (84, 86).

10. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 1, en donde un conjunto inductor (104), un par de barras aislantes (106) y el segundo electrodo (86) están asegurados lateralmente por resortes (108) situados a cada lado del láser de gas.

11. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 10, en donde los resortes (108) se extienden longitudinalmente a lo largo del conjunto inductor (104), las barras aislantes (106) y el segundo electrodo (86).

12. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 10, en donde cada resorte (108) proporciona una fuerza de compresión en un intervalo de entre 65 y 105 Newton.

13. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 10, en donde los resortes (108) son resortes de palanca.

14. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 10, en donde los espacios primero y segundo (d<1>, d<2>) están creados por bolas de precisión (96), cada una de las mismas en contacto con el primer electrodo (84) y el segundo electrodo (86), empujando cada resorte (108) el conjunto inductor (104), una barra aislante (106) y el segundo electrodo (86) contra las bolas de precisión (96).

15. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 10, en donde cada barra aislante (106) está asegurada lateralmente por al menos dos pasadores de espiga (102) situados en orificios del segundo electrodo (86) y los correspondientes orificios en la barra aislante (106).

16. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 10, en donde el conjunto inductor (104) está asegurado lateral y longitudinalmente por pasadores de espiga (102) situados en orificios de las barras aislantes (106) y los correspondientes orificios en el conjunto inductor (104).

17. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 10, en donde cada barra aislante (106) se extiende por dentro de un volumen entre el segundo electrodo (86) y la carcasa (82), aumentando de ese modo un potencial eléctrico necesario para producir una descarga entre los mismos.

18. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 17, en donde la barra aislante (106) ocupa la mayor parte del volumen entre el segundo electrodo (86) y la carcasa (82), a la vez que está separada tanto del segundo electrodo (86) como de la carcasa (82).

19. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 1, en donde la carcasa (82) contiene una mezcla gaseosa de dióxido de carbono o de monóxido de carbono.

20. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 1, en donde un hueco en la placa dieléctrica (88) define el volumen de ganancia de un láser de losa.

21. El láser de gas excitado por radiofrecuencia de la reivindicación 1, en donde unos canales en la losa dieléctrica (88) definen el volumen de ganancia de un láser de guía de ondas.

22. Un láser de gas excitado por radiofrecuencia, que comprende:

una carcasa (82) que contiene el gas;

un cilindro dieléctrico hueco (122) situado en la carcasa (82) y orientado a lo largo de un eje longitudinal, definiendo el cilindro dieléctrico (122) un volumen de ganancia cuando el gas es excitado por un campo de radiofrecuencia, siendo el volumen de ganancia el interior hueco del cilindro dieléctrico (122);

un primer electrodo (124) que tiene una primera superficie (134) que es concéntrica con una superficie exterior del cilindro dieléctrico (122); y

un segundo electrodo (126) que tiene una segunda superficie (136) que es concéntrica a la superficie exterior del cilindro dieléctrico (122), estando los electrodos primero y segundo (124, 126) situados en lados opuestos del cilindro dieléctrico (122);

en donde, la primera superficie (134) está separada de la superficie exterior por un primer espacio (d<3>) y la segunda superficie (136) está separada de la superficie exterior por un segundo espacio (d<4>).