专利名称：封离型射频激励co的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种CO2激光器，更具体地说，涉及一种封离型射频激励方式的CO2波导激光器。
射频激励CO2波导激光器是众多CO2气体激光器当中的一种新型产品，它与其它类型的激光器相比具有高功率、高效率、高光束质量的特点，所以特别适合用于激光加工。比如激光打孔，有时需要激光光束很圆、很细，如果激光器的出光模式不好就不可能产生高质量的光束，也就加工不出高质量的孔。
但是，到目前为止，我国此类射频激励CO2波导激光器还主要靠进口，价格昂贵，国内还没有自主开发研制出相应的产品。
我国自行生产的激光器大多是玻璃管激光器和大功率(千瓦级)激光器。其中封离型激光器主要是玻璃管激光器，玻璃管激光器的缺点是光束模式不好，谐振腔稳定性差、寿命短、有高压，对人体有危险，而且管体易破损。大功率(千瓦级)激光器有轴流激光器和横流激光器，多为直流激励方式。它的缺点是由于使其工作的直流激励电源需用限流电阻，所以功耗很大，溅射污染严重。另外，大功率(千瓦级)激光器必须在使气体流动的条件下才能够得到所需功率，而气体流动就必须配备气泵、管路，所以大功率激光器不可能实现封离，造成设备体积庞大，移动不便，使用的场合大大受到限制。
为实现上述目的，本实用新型采取以下设计方案一种封离型射频激励CO2波导激光器，它主要由壳体、谐振腔、射频源和冷却系统构成；所述谐振腔和冷却系统位于壳体内部，射频源位于壳体外部，射频源通过馈入端子与壳体内的谐振腔相连；所述壳体为一封闭的真空管体，它的前端设有一出光孔；所述谐振腔设置在壳体内部，它主要由波导管和设置在波导管两端的光学耦合镜构成；所述波导管是由铝合金上、下电极和陶瓷围成的空心导管；其内径很小、内壁很光洁；在波导管的前、后端分别设有出光孔；与波导管出光孔相对应，在谐振腔的前端设有谐振腔输出镜；与波导管的出光孔相对应，在谐振腔的后端设有谐振腔反射镜；所述波导管的上电极通过馈入端子与所述射频源相连；所述射频源为整个激光器提供射频工作电源；所述冷却系统位于所述壳体内、谐振腔外，它固定在壳体的内壁。
所述谐振腔输出镜为反射率为85％、透射率为15％的镜片。
所述射频源主要由振荡单元电路、推动单元电路和功率放大单元电路组成；外部交流电源从振荡单元电路的信号输入端接入后，经振荡单元电路产生射频振荡信号，射频振荡信号经推动单元电路的放大后处分两路进入功率放大单元电路，经功率放大单元电路功率放大后，通过谐振腔上的两个馈入端子将具有一定能量的射频电源信号馈入到谐振腔内。
所述冷却系统为水冷系统，它由固定在所述壳体内壁的水管构成。
本实用新型在所述射频电源与谐振腔之间还设有一个匹配电路，它由依次串联的电容、电感和电阻构成。
在所述波导管上、下电极间还并联有若干个可改变电压分布的电感线圈。
本实用新型所述谐振腔内还填充有高纯度的N2、He和Xe辅助气体。
本实用新型壳体1为一封闭的铝合金型材真空管体，它的前端设有一出光孔11。
设置在壳体1内的谐振腔2是本实用新型产生激光的关键部件。如图2、图3、图4所示，谐振腔2主要是由波导管21和设置在波导管两端的光学耦合镜22、23构成。波导管21是一由铝合金上、下电极211、212、陶瓷213、214围成的空心导管；其内径很小、内壁很光洁。它是工作气体即CO2气体放电产生激光的空间。在波导管21的前、后端分别设有谐振腔输出镜22和谐振腔反射镜23，其中，谐振腔输出镜22为反射率为85％，透射率为15％的镜片。为使储存在谐振腔2内的CO2工作气体产生激光，还需将波导管21的上电极211通过馈入端子217与射频源3相连。
射频源3是使谐振腔2内的CO2气体分子产生能级间的跃迁进而产生激光的必要条件，它为整个激光器提供射频工作电源。射频电源是指频率在88MHz-108MHz范围内工作的电源。本实用新型所选用的射频电源频率为90MHz，电源电压为24V，电流20A，功率为350W。图5为本实用新型射频源3的具体电路图。如图所示，该射频源电路主要由振荡单元电路31、推动单元电路32和功率放大单元电路33组成。外部交流电源从振荡单元电路31的信号输入端“E”接入后，经振荡单元电路31后产生射频振荡信号，该射频振荡信号经推动单元电路32的放大，从A、B两点处分两路进入功率放大单元电路33，经功率放大单元电路33功率放大后从RF1点和RF2点输出，再通过谐振腔上的两个馈入端子217将具有一定能量的射频电源信号馈入到谐振腔内。
当射频源3工作产生射频后，射频电源将能量通过两个馈入端子馈入到谐振腔内，使谐振腔内的CO2工作气体激发，产生辉光放电。此时CO2分子中的原子脱离平衡状态下的位置，产生能级间的跃迁。在受激辐射跃迁的过程中，释放出光子，而它又可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这两个光子又可以去诱发其它粒子，产生更多状态相同的光子，这种现象就是受激辐射放大。这些光子在谐振腔两端的镜片22、23之间不断地被振荡，并不断被放大，进而从谐振腔输出镜22、壳体1出光孔11射出形成激光。
在本实用新型研制过程中，发明人发现射频源3的输出阻抗与激光器谐振腔2的等效阻抗不匹配，射频源的输出阻抗为50Ω，而激光谐振腔的等效阻抗不是50Ω。为此，本实用新型在射频源3与激光器谐振腔2之间增加一匹配电路5，如图6所示。该匹配电路5由依次串联的电容C0、电感L、电阻R构成；并且，在电容C0与电感L的公共点与地之间还并联有电容CT、C’。激光器放电谐振腔2可以等效成由一个电容C和一个电阻Rg形成的并联回路，C是波导管上的分布电容，Rg为气体放电等离子体的有效电阻；在放电气体着火前Rg→∞，在着火后Rg＝a(a＝常数，一般为100-1000Ω)。所以，本实用新型射频源3的输出端RF1、RF2实际上是通过网络电路5与谐振腔2的两个馈入端子217相连，将具有一定能量的射频电源信号馈入到谐振腔内的。由图6可以看出，射频源3、匹配电路5和谐振腔2形成一回路。它的主要作用是在CO2气体放电着火前使回路谐振产生足以使气体电离的高电压；在CO2气体放电着火后，实现阻抗匹配，使放电谐振腔的阻抗近似于50Ω。
由于激光的形成是通过工作气体粒子的跃迁运动产生的，所以，随着激光的形成会产生大量热量。如果热量不及时排出就会影响激光器的正常工作，比如模式会产生变化、输出功率变小、射频源当中的元件烧坏等，最后导致不能出光。为了解决这个问题，本实用新型在壳体1内、谐振腔2外，设置有冷却系统4。本实用新型冷却系统4为水冷系统，它由固定在壳体1内壁的水管构成，冷却水从进水口41进，从出水口42出(如
图1所示)，在水循环的过程中，将热量及时带出，从而达到使激光器稳定工作的目的。本实用新型采用水冷却，当然也可以采用风冷方式降低激光器的温度，保证激光器正常工作。
射频电源3经匹配电路5将射频电源馈入谐振腔波导管的上电极时，为了使射频电压分布均匀，本实用新型采用了以下方法1、两点馈入，缩短馈入点与传输线的距离；2、在波导管上、下电极间并联若干个电感线圈24，改变电压的分布。这样就使整个电极长度上的电压分布趋于均匀。
另外，本实用新型选用的波导管是由铝合金和陶瓷构成的，波导管的内径为2-3mm，长度为700mm。为了使产品一致性好，而且成本低，本实用新型选用的是铝合金热挤压成型的型材，再经过精密加工，使其上、下电极表面达到所需的精度和光洁度。陶瓷与铝电极之间紧密接触，同时在安装时不得使其扭曲、变形，以保证波导管的精度。
本实用新型填充在谐振腔2内的CO2气体为为高纯度的CO2气体，同时还添加了高纯的N2、He和Xe辅助气体，它们的作用是增强激光的输出。
由于本实用新型采用以上技术方案，本实用新型射频激励CO2波导的激光器与其它类型的激光器相比具有以下优势1、转换效率高。由于本实用新型采用射频电源为谐振腔提供工作电源，而射频电源不用限流电阻，从而降低了电源功率的损耗，进而使整个激光器转换效率高。
2、体积小，使用方便。由于本实用新型的工作气体CO2通过封离设备被填充在谐振腔内，所以，本实用新型在使用时，不需要配备气泵、管路等设备，体积小，可以方便地在各种场合使用。
2、出光模式好。由于本实用新型采用波导管的结构设计，使CO2工作气体在内径很小、内壁很光洁的波导管内放电产生激光，所以，其出光模式好，光束质量高。
3、工作电压低，对人身安全危害小，降低对元器件和电源的高压绝缘的要求，同时有利于激光器的小型化。
4、使用寿命长。由于本实用新型采用射频激励方式工作，在射频条件下工作气体的分解速率降低，同时没有溅射造成的污染等不良影响，所以，激光器的使用寿命长。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型的保护范围并不局限于此。任何基于本实用新型技术方案上的等效变换均属于本实用新型保护范围之内。
权利要求1.一种封离型射频激励CO2波导激光器，其特征在于它主要由壳体、谐振腔、射频源和冷却系统构成；所述谐振腔和冷却系统位于壳体内部，射频源位于壳体外部，射频源通过馈入端子与壳体内的谐振腔相连；所述壳体为一封闭的真空管体，它的前端设有一出光孔；所述谐振腔设置在壳体内部，它主要由波导管和设置在波导管两端的光学耦合镜构成；所述波导管是由铝合金上、下电极和陶瓷围成的空心导管；其内径很小、内壁很光洁；在波导管的前、后端分别设有出光孔；与波导管出光孔相对应，在谐振腔的前端设有谐振腔输出镜；与波导管的出光孔相对应，在谐振腔的后端设有谐振腔反射镜；所述波导管的上电极通过馈入端子与所述射频源相连；所述射频源为整个激光器提供射频工作电源；所述冷却系统位于所述壳体内、谐振腔外，它固定在壳体的内壁。
2.根据权利要求1所述的封离型射频激励CO2波导激光器，其特征在于所述谐振腔输出镜为反射率为85％、透射率为15％的镜片。
3.根据权利要求2所述的封离型射频激励CO2波导激光器，其特征在于所述射频源主要由振荡单元电路、推动单元电路和功率放大单元电路组成；外部交流电源从振荡单元电路的信号输入端接入后，经振荡单元电路产生射频振荡信号，射频振荡信号经推动单元电路的放大后处分两路进入功率放大单元电路，经功率放大单元电路功率放大后，通过谐振腔上的两个馈入端子将具有一定能量的射频电源信号馈入到谐振腔内。
4.根据权利要求3所述的封离型射频激励CO2波导激光器，其特征在于所述冷却系统为水冷系统，它由固定在所述壳体内壁的水管构成。
5.根据权利要求4所述的封离型射频激励CO2波导激光器，其特征在于本实用新型在所述射频电源与谐振腔之间还设有一个匹配电路，它由依次串联的电容、电感和电阻构成。
6.根据权利要求5所述的封离型射频激励CO2波导激光器，其特征在于在所述波导管上、下电极间还并联有若干个可改变电压分布的电感线圈。
7.根据权利要求6所述的封离型射频激励CO2波导激光器，其特征在于本实用新型所述谐振腔内还填充有高纯度的N2、He和Xe辅助气体。
专利摘要本实用新型公开了一种封离型射频激励CO
文档编号H01S3/00GK2595021SQ02294688
公开日2003年12月24日 申请日期2002年12月30日 优先权日2002年12月30日
发明者原鹏, 耿学虹, 罗景新 申请人:北京志恒达科技有限公司