专利名称：一种轴快流气体激光器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种轴快流气体激光器装置，尤其涉及激光器的谐振腔、气体循环冷
却器和射频电源之间的结构等。
背景技术：
气体(二氧化碳)激光器大部分采用直流放电直流放电气体激光器工作在自持 放电区域，电离发生在阴极位降层内，而振动激发又局限在正柱区内，能量很大部分被阴极 位降层损耗；在阴极位降区域内，由于高能电子的存在和折射率降低，小信号增益低，因此， 近场分布不均匀，远场发散角较大；阴极位降区域气体温度较高容易形成热不稳定，放电稳 定性较差。 由上述可知，直流放电的特点是放电的电极暴露在(二氧化碳等)气体工质当中， 缺点有电极溅射污染气体工质使激光功率不断下降，需要不断补充新鲜气体；直流放电还 存在辉光放电不稳定的问题，即叠加在直流上的纹波脉冲和较高的阴极位降区域气体温度 常常使辉光放电过渡到弧光放电，表现为激光管拉丝和回火现象，使直流放电轴快流气体 激光器的功率不能进一步提高， 一般最高激光功率做到4kW。 在激励电源频率大于10kHz，而小于lMHz的AC放电中，其半周期小于50 ii S，这个 激励时间小于不稳定形成时间，因此放电比直流放电稳定，但是这个时间远大于在电场作 用下电子从阴极到阳极的漂移时间，所以，可以认为在这段时间内类似于直流放电，这时必 然存在阴极位降。 在微波激励方式中，电源频率达到吉赫兹量级，达到了电子碰撞频率，电极中高电
子密度的边缘层阻止能量向放电区进一步渗透，这样放电区也有很高的能量密度。为了克
服上述的有害影响，必须设计适当的耦合系统和放电腔，故至今并没有产品面世。 在电源频率大于10MHz而小于300MHz的射频放电中，这时的放电主要是体积电
离，并且不存在阴极位降，效率得到了很大的提高，两电极间的增益分布也均匀了，光束质
量优于AC放电。 射频激励的特点是电极不需要暴露在气体工质当中，不存在直流放电的缺点，其 缺点是大功率射频技术难度高。 射频激励气体激光器由于自身的优点被认为是新一代的激光器，它的总体效率大 于直流(含AC)放电激光器，光束质量优于直流(含AC)放电激光器。这种激励方式与直 流激励方式比较，可以极大的延长电极寿命，减少气体消耗，适应脉冲工作能力更强，没有 激光管拉丝、回火和功率下降等不稳定现象，适合于制造特大功率的激光器。
还有，目前大部分的轴快流气体激光器都是大体积的复杂系统，激光谐振腔的结 构大都采用由三或四根横梁固定两块端板，激光发生管吊装在横梁上，光路在两块端板之 间进行或壹折或两折或三折等折反以延长光路，这种谐振腔需要外部配合气体循环冷却器 等系统来冷却气体，增加气路管道，使体积增大和空间利用率降低等缺点。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于，提供一种轴快流气体激光器装置，采用射频
放电技术，采用正方形谐振腔，且射频电源、谐振腔和气体循环冷却器三部分合成为一体， 使激光器结构紧凑，体积大为减小，同时激光器寿命更长和成本更低。 为达到上述目的，本发明提供的用于产生激光的一种轴快流气体激光器装置，包 括谐振腔、气体循环冷却器、平面板、放电电极、射频电源和气体泵，其中谐振腔还包括 前反镜、后反镜、放电管和光路支架；其特征在于所述光路支架固定于放电管两端起连通 光路和气路的作用，处于两根放电管中间的所述光路支架连通前和后两根所述放电管的光 路和气路，两根所述放电管轴线重合，并在所述前光路支架上安装所述前反镜，在所述后光 路支架上安装所述后反镜，所述前、中、后三个光路支架都安装在所述平面板上，所述前后 反射镜均与光路垂直，在所述平面板对应的所述前中后光路支架的下方位置分别开三个连 接孔，使放电管的气路与处于所述平面板背面的所述气体循环冷却器的气路连通，所述气 体循环冷却器的气路连接到所述气体泵，在所述气体泵的作用下所述气体通过所述气体循 环冷却器的冷却，再通过前和后所述光路支架吹向所述放电管，通过所述中间光路支架来 到所述气体循环冷却器最后回到所述气体泵，形成循环气路，使产生激光的所述气体循环 利用，在所述放电管外表面安装一对(长条形)所述放电电极，所述放电电极包住所述放电 管，在所述放电电极上注入射频功率，在所述射频电源的激励下所述放电管的气体被射频 激发形成等离子体而产生辉光放电现象，入射到(产生激光的气体的)等离子体的一个光 子，所述等离子体会产生两个光子射出，光子在所述前后反射镜之间的光路上来回振荡产 生激光，所述前反镜为半透镜，谐振腔内的激光通过所述半透镜射出。 本发明提供的基于上述的装置，还包括折反镜；四组所述装置(即八条所述放电 管)排列成正方形，在三个所述光路支架上安装所述折反镜，所述折反镜与光路成45度夹 角，在第四个所述光路支架上安装所述前反镜和后反镜，所述前后反射镜相互垂直，且均与 光路垂直，形成正方形环形光路，也即正方形谐振腔，所述放电管在射频电源的激励下产生 辉光放电，所述辉光放电在所述折反镜的反射下，在前反镜和后反镜之间来回振荡产生激 光，并通过半透光的所述前反镜射出激光，其特征还在于由八根所述放电管、八个所述光 路支架、三个所述折反镜和所述前后反射镜组成的谐振腔安装在同一块所述平面板上，在 所述平面板的背面安装所述气体循环冷却器，在八个所述光路支架位置对应的所述平面板 上开八个孔与所述气体循环冷却器连通，在正方形环形放电管内和所述平面板上安装所述 射频电源，所述射频电源的八组输出就近连接到所述放电管的所述放电电极上，四组进和 出所述气体循环冷却器的气路在所述气体循环冷却器内合成为两条气路并分别与所述气 体泵的进出端连接。 本发明提供的基于上述的装置，在所述前反镜所处光路和与之平行的光路上各增 加一组(共四根)放电管，使所述谐振腔为矩形谐振腔，环路共12根放电管，即矩形谐振腔 的长边为4根放电管短边为2根放电管。 本发明提供的基于上述的装置，用两套装置的所述正方形谐振腔，即在一块矩形 平面板上排列两套正方形共16根放电管，所述放电管组成1+弓字形的谐振腔，处于所述I 字中间的两个所述光路支架合成为一个光路支架，即所述光路支架连接4根所述放电管。
本发明提供的基于上述的装置，两套所述装置(即2X8或2X12或2X16条所述放电管)背靠背，使其中一套成为另一套的镜像，两套所述装置的两个所述后反镜改成折反 镜向对方转动45度夹角，并把其中一套装置的前反镜改成后反镜，使两套光路串联成为一 套光路，即双正方形或双矩形或双弓字型螺旋光路谐振腔。 本发明提供的基于上述的装置，不改变所述装置的所述谐振腔的光路形状，把所 述装置的所述谐振腔中间的两块平面板和气体循环冷却器移出，并使镜像的所述光路支架 连成一体，即同一套光路支架上安装两层放电管，用一块所述平面板代替原来的两块平面 板，使所有所述光路支架安装在同一块所述平面板上，并在所述平面板背面安装所述气体 循环冷却器和气体泵。 本发明提供的基于上述的装置，所述平面板为内含冷却水路的金属板或大理石 板，所述前反镜、后反镜和折反镜还包含带冷却水路的镜架，使所述平面板和各反射镜温差 变化小，做到基本不变形，使谐振腔光路稳定不变。 本发明提供的基于上述的装置，所述放电电极两端与所述光路支架的距离大于 (或等于)所述放电电极之间的距离，所述放电电极的宽度小于(或等于)所述放电管的外 径，所述放电电极内侧做成圆弧状包住圆管形放电管。 本发明提供的基于上述的装置，所述射频电源还包含匹配器，所述匹配器使射频 电源与放电电极之间匹配，使所述射频电源注入所述放电管的射频功率不反射回电源装置。 本发明提供的基于上述的装置，还包括真空泵、冷水机、直流电源、控制系统和气 体注入系统等，所述真空泵用于对谐振腔内的气路抽真空，所述谐振腔抽真空后，所述气体 注入系统(用于)对产生激光的混合气体(如C02需要其他气体N2和He配合)按比例注 入所述谐振腔，所述直流电源给所述射频电源供电，使所述射频电源产生射频并在所述放 电电极的作用下注入所述放电管，使所述放电管内的混合气体产生辉光放电，再在所述谐 振腔的作用下所述气体的辉光放电产生激光，注入的射频功率约20%产生激光，其余的通 通变成发热，需要通过所述冷水机和所述气体循环冷却器等交换热能，使激光器装置内的 温度保持平衡和不变，所述控制系统用于协调各部分按设定的程序工作和接受外面的控制 信号来控制激光器装置，此外，在气路和水路的接口处还加有密封圈。 为达到上述目的，本发明公开了一种轴快流气体激光器装置，包括谐振腔、气体循 环冷却器、平面板、放电电极、射频电源和气体泵，其中谐振腔还包括前反镜、折反镜、后反 镜、放电管和光路支架，所述光路支架连接多根所述放电管并排列成矩形光路，在光路拐弯 处安装所述折反镜，在光路两端安装所述前反镜和后反镜，在所述放电管上安装所述放电 电极，所述放电电极连接到所述射频电源，在所述射频电源的激励下所述放电管的气体被 射频激发形成等离子体而产生辉光放电现象，入射到(产生激光的气体的)等离子体的一 个光子，所述等离子体会产生两个光子射出，光子在所述前后反射镜之间的光路上来回振 荡产生激光，所述光路支架安装在所述平面板上，所述平面板背面安装所述气体循环冷却 器，在所述气体泵的作用下所述产生激光后的气体在所述气体循环冷却器内冷却并循环利 用。
以下附图有助于详细的理解本发明，但仅仅是为了举例解释说明，不应被理解为
6对本发明的限制。 图1为本发明所述装置的第一个实施例结构示意图； 图2为本发明所述装置的第二个实施例结构示意图； 图3为本发明所述装置的第三个实施例结构示意图； 图4为本发明所述装置的第四个实施例结构示意图； 图5为本发明所述装置的第五个实施例结构示意图； 图6为本发明所述装置的第六个实施例结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的说明。下面的说明将有助于本领域 的技术人员更好的理解本发明的其他优点、目的和特征。 首先介绍本发明所述装置的第一实施例，参考图1。图l所示的一种轴快流气体激 光器装置l，用于输出激光束，该装置1主要包括谐振腔、气体循环冷却器17、平面板16、 放电电极13、射频电源12和气体泵19，其中谐振腔还包括前反镜14、后反镜10、放电管15 和光路支架ll。 图1所示，所述轴快流气体激光器装置l，所述光路支架11固定于放电管15两端 起连通光路Ol和气路02的作用，处于两根放电管15中间的所述光路支架11连通前和后 两根所述放电管15的光路01和气路02，两根所述放电管15轴线重合，并在所述前光路支 架11上安装所述前反镜14，在所述后光路支架11上安装所述后反镜10，所述前、中、后三 个光路支架11都安装在所述平面板16上，所述前后反射镜14/10均与光路01垂直，在所 述平面板16对应的所述前中后光路支架11的下方位置分别开三个连接孔，使放电管15的 气路02与处于所述平面板16背面的所述气体循环冷却器17的气路02连通，所述气体循 环冷却器17的气路连接到所述气体泵19，在所述气体泵19的作用下所述气体通过所述气 体循环冷却器17的冷却，再通过前和后所述光路支架11吹向所述放电管15，通过所述中间 光路支架11来到所述气体循环冷却器17最后回到所述气体泵19，形成循环气路，使产生激 光的所述气体循环利用，在所述放电管15外表面安装一对(长条形)所述放电电极13，所 述放电电极13包住所述放电管15，在所述放电电极13上注入射频功率，在所述射频电源 12的激励下所述放电管15的气体02被射频激发形成等离子体而产生辉光放电现象，入射 到(产生激光的气体的)等离子体的一个光子，所述等离子体会产生两个光子射出，光子在 所述前后反射镜14/10之间的光路01上来回振荡产生激光，所述前反镜14为半透镜，谐振 腔内的激光通过所述半透镜射出。 本发明所述装置的第二实施例，参考图2。图2所示的一种轴快流气体激光器装置 2，用于输出大功率激光束，装置2是在装置1的基础上增加三套相同装置l，在同一块所述 平面板16上围成正方形分布，在所述光路01拐角处增加折反镜20，即四组所述装置1 (即 八条所述放电管15)排列成正方形，在三个所述光路支架11上安装所述折反镜20，所述折 反镜20与光路01成45度夹角，在第四个所述光路支架11上安装所述前反镜14和后反镜 10，所述前后反射镜14/10相互垂直，且均与光路01垂直，形成正方形环形光路01，也即正 方形谐振腔，所述放电管15在射频电源12的激励下产生辉光放电，所述辉光放电在所述折 反镜20的反射下，在前反镜14和后反镜10之间来回振荡产生激光，并通过半透光的所述前反镜14射出激光；由八根所述放电管15、八个所述光路支架11、三个所述折反镜20和所 述前后反射镜14/10组成的谐振腔安装在同一块所述平面板16上，在所述平面板16的背 面安装所述气体循环冷却器17，在八个所述光路支架11位置对应的所述平面板16上开八 个孔(02)与所述气体循环冷却器17连通，在正方形环形放电管15内和所述平面板16上安 装所述射频电源12，所述射频电源12的八组输出就近连接到所述放电管15的所述放电电 极13上，四组进和出所述气体循环冷却器17的气路02在所述气体循环冷却器17内合成 为两条气路并分别与所述气体泵19的进出端连接，装置2产生激光的原理与装置1相同， 参考装置1所述。 本发明所述装置的第三实施例，参考图3。图3所示的一种气体激光器装置3，用 于输出大功率激光束，装置3是在装置2的基础上在所述前反镜14所处光路01和与之平 行的光路Ol上各增加一组装置1即共四根所述放电管15，使所述谐振腔为矩形谐振腔，环 路共12根放电管15，即矩形谐振腔的长边为4根放电管15短边为2根放电管15，装置3 的原理与装置1相同，参考装置1所述。 本发明所述装置的第四实施例，参考图4。图4所示的一种气体激光器装置4，用 于输出大功率激光束，装置4是在装置2的基础上用两套所述装置2的所述正方形谐振腔， 即在一块矩形平面板16上排列两套正方形共16根所述放电管15，所述放电管15组成1+ 弓字形的谐振腔，处于所述I字中间的两个所述光路支架合成为一个光路支架4-11，即所 述光路支架4-11连接4根所述放电管15，装置4的原理与装置1相同，参考装置1所述。
本发明所述装置的第五实施例，参考图5。图5所示的一种气体激光器装置5，用于 输出大功率激光束，装置5是在装置2或3或4的基础上，用两套所述装置2或3或4(即 2X8或2X12或2X16条所述放电管)背靠背，使其中一套成为另一套的镜像，两套所述装置 2或3或4的两个所述后反镜10改成折反镜20向对方转动45度夹角，并把其中一套装置 2或3或4的前反镜14改成后反镜10，使两套光路01串联成为一套光路01，即双正方形或 双矩形或双(1+弓)字型螺旋光路谐振腔。装置5的原理与装置1相同，参考装置1所述。
本发明所述装置的第六实施例，参考图6。图6所示的一种气体激光器装置6，用 于输出大功率激光束，装置6是在装置5的基础上不改变所述装置5的所述谐振腔的光路 形状，把所述装置5的所述谐振腔中间的两块平面板16和气体循环冷却器17移出，并使镜 像的所述光路支架11连成一体，即同一套光路支架11上安装两层所述放电管15，用一块所 述平面板16代替原来的两块平面板16，使所有所述光路支架11安装在同一块所述平面板 16上，并在所述平面板16背面安装所述气体循环冷却器17和气体泵19。装置6的原理与 装置l相同，参考装置l所述。 所述平面板16为内含冷却水路的金属板或大理石板，所述前反镜14、后反镜10和 折反镜20还包含带冷却水路的镜架，使所述平面板16和各反射镜温差变化小，做到基本不 变形，使谐振腔光路稳定不变。 所述放电电极13两端与所述光路支架11的距离大于(或等于)所述放电电极13 之间的距离，所述放电电极13的宽度小于(或等于)所述放电管15的外径，所述放电电极 13内侧做成圆弧状包住圆管形放电管15。 所述射频电源12还包含匹配器，所述匹配器使射频电源12与所述放电电极13之 间匹配，使所述射频电源12注入所述放电管15的射频功率不反射回电源装置12。
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上述装置还包括真空泵、冷水机、直流电源、控制系统和气体注入系统等，所述真 空泵用于对谐振腔内的气路02抽真空，所述谐振腔抽真空后，所述气体注入系统(用于) 对产生激光的混合气体(如(A需要其他气体N2和He配合)按比例注入所述谐振腔，所述 直流电源给所述射频电源12供电，使所述射频电源12产生射频并在所述放电电极13的作 用下注入所述放电管15，使所述放电管15内的混合气体产生辉光放电，再在所述谐振腔的 作用下所述气体的辉光放电产生激光，注入的射频功率约20 %产生激光，其余的通通变成 发热，需要通过所述冷水机和所述气体循环冷却器17等交换热能，使激光器装置内的温度 保持平衡和不变，所述控制系统用于协调各部分按设定的程序工作，并接受外面的控制信 号来控制激光器装置，此外，在气路和水路的接口处还加有密封圈。
权利要求
一种轴快流气体激光器装置，包括谐振腔、气体循环冷却器、平面板、放电电极、射频电源和气体泵，其中谐振腔还包括前反镜、后反镜、放电管和光路支架；其特征在于所述光路支架固定于放电管两端起连通光路和气路的作用，处于两根放电管中间的所述光路支架连通前和后两根所述放电管的光路和气路，两根所述放电管轴线重合，并在所述前光路支架上安装所述前反镜，在所述后光路支架上安装所述后反镜，所述前、中、后三个光路支架都安装在所述平面板上，所述前后反射镜均与光路垂直，在所述平面板对应的所述前中后光路支架的下方位置分别开三个连接孔，使放电管的气路与处于所述平面板背面的所述气体循环冷却器的气路连通，所述气体循环冷却器的气路连接到所述气体泵，在所述气体泵的作用下所述气体通过所述气体循环冷却器的冷却，再通过前和后所述光路支架吹向所述放电管，通过所述中间光路支架来到所述气体循环冷却器最后回到所述气体泵，形成循环气路，使产生激光的所述气体循环利用，在所述放电管外表面安装一对(长条形)所述放电电极，所述放电电极包住所述放电管，在所述放电电极上注入射频功率，在所述射频电源的激励下所述放电管的气体被射频激发形成等离子体而产生辉光放电现象，入射到(产生激光的气体的)等离子体的一个光子，所述等离子体会产生两个光子射出，光子在所述前后反射镜之间的光路上来回振荡产生激光，所述前反镜为半透镜，谐振腔内的激光通过所述半透镜射出。
2. 根据权利要求1所述的装置，还包括折反镜，其特征在于四组所述装置(即八条 所述放电管)排列成正方形，在三个所述光路支架上安装所述折反镜，所述折反镜与光路 成45度夹角，在第四个所述光路支架上安装所述前反镜和后反镜，所述前后反射镜相互垂 直，且均与光路垂直，形成正方形环形光路，也即正方形谐振腔，所述放电管在射频电源的 激励下产生辉光放电，所述辉光放电在所述折反镜的反射下，在前反镜和后反镜之间来回 振荡产生激光，并通过半透光的所述前反镜射出激光，其特征还在于由八根所述放电管、 八个所述光路支架、三个所述折反镜和所述前后反射镜组成的谐振腔安装在同一块所述平 面板上，在所述平面板的背面安装所述气体循环冷却器，在八个所述光路支架位置对应的 所述平面板上开八个孔与所述气体循环冷却器连通，在正方形环形放电管内和所述平面板 上安装所述射频电源，所述射频电源的八组输出就近连接到所述放电管的所述放电电极 上，四组进和出所述气体循环冷却器的气路在所述气体循环冷却器内合成为两条气路并分 别与所述气体泵的进出端连接。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于在所述前反镜所处光路和与之平行的光 路上各增加一组(共四根)放电管，使所述谐振腔为矩形谐振腔，环路共12根放电管，即矩 形谐振腔的长边为4根放电管短边为2根放电管。
4. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于用两套所述装置的所述正方形谐振腔，即在一块矩形平面板上排列两套正方形共16根放电管，所述放电管组成1+弓字形的谐振腔， 处于所述I字中间的两个所述光路支架合成为一个光路支架，即所述光路支架连接4根所 述放电管。
5. 根据权利要求2或3或4所述的装置，其特征在于两套所述装置(即2X8或2X12 或2X16条所述放电管)背靠背，使其中一套成为另一套的镜像，两套所述装置的两个所述 后反镜改成折反镜向对方转动45度夹角，并把其中一套装置的前反镜改成后反镜，使两套 光路串联成为一套光路，即双正方形或双矩形或双弓字型螺旋光路谐振腔。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于不改变所述装置的所述谐振腔的光路形 状，把所述装置的所述谐振腔中间的两块平面板和气体循环冷却器移出，并使镜像的所述 光路支架连成一体，即同一套光路支架上安装两层放电管，用一块所述平面板代替原来的 两块平面板，使所有所述光路支架安装在同一块所述平面板上，并在所述平面板背面安装 所述气体循环冷却器和气体泵。
7. 根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的装置，其特征还在于所述平面板为内 含冷却水路的金属板或大理石板，所述前反镜、后反镜和折反镜还包含带冷却水路的镜架， 使所述平面板和各反射镜温差变化小，做到基本不变形，使谐振腔光路稳定不变。
8. 根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的装置，其特征在于所述放电电极两 端与所述光路支架的距离大于(或等于)所述放电电极之间的距离，所述放电电极的宽度 小于(或等于)所述放电管的外径，所述放电电极内侧做成圆弧状包住圆管形放电管。
9. 根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的装置，其特征在于所述射频电源还 包含匹配器，所述匹配器使射频电源与所述放电电极之间匹配，使所述射频电源注入放电 管的射频功率不反射回电源装置。
10. 根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的装置，其特征在于还包括真空泵、冷 水机、直流电源、控制系统和气体注入系统等，所述真空泵用于对谐振腔内的气路抽真空， 所述谐振腔抽真空后，所述气体注入系统(用于)对产生激光的混合气体(如0)2需要其 他气体N2和He配合)按比例注入所述谐振腔，所述直流电源给所述射频电源供电，使所述 射频电源产生射频并在所述放电电极的作用下注入所述放电管，使所述放电管内的混合气 体产生辉光放电，再在所述谐振腔的作用下所述气体的辉光放电产生激光，注入的射频功 率约20%产生激光，其余的通通变成发热，需要通过所述冷水机和所述气体循环冷却器等 交换热能，使激光器装置内的温度保持平衡和不变，所述控制系统用于协调各部分按设定 的程序工作和接受外面的控制信号来控制激光器装置，此外，在气路和水路的接口处还加 有密封圈。
全文摘要
本发明公开了一种轴快流气体激光器装置，包括谐振腔、气体循环冷却器、平面板、放电电极、射频电源和气体泵，其中谐振腔还包括前反镜、折反镜、后反镜、放电管和光路支架，所述光路支架连接多根所述放电管并排列成矩形光路，在光路拐弯处安装所述折反镜，在光路两端安装所述前反镜和后反镜，在所述放电管上安装所述放电电极，所述放电电极连接到所述射频电源，在所述射频电源的激励下所述放电管的气体被射频激发形成等离子体而产生辉光放电现象，入射到(产生激光的气体的)等离子体的一个光子，所述等离子体会产生两个光子射出，光子在所述前后反射镜之间的光路上来回振荡产生激光，所述光路支架安装在所述平面板上，所述平面板背面安装所述气体循环冷却器，在所述气体泵的作用下所述产生激光后的气体在所述气体循环冷却器内冷却并循环利用。
文档编号H01S3/22GK101752780SQ20081018415
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月7日 优先权日2008年12月7日
发明者刘娟明 申请人:刘娟明