用于高功率CO₂盘形激光镜的粒子损伤保护的制作方法

专利名称：用于高功率CO₂盘形激光镜的粒子损伤保护的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及高功率的CO2(气体放电)盘形激光器。本发明特别涉及保护这种激光器的谐振腔镜免受在激光器工作期间产生的粒子的损伤。
背景技术：
CO2气体盘形激光器具有以相对小的距离分隔的两个间隔开的平行矩形电极。电极位于壳体中，所述壳体收容激光气体混合物，所述激光气体混合物包括二氧化碳(CO2)和诸如氮(N2)、氦(He)和氙(Xe)的惰性气体。射频(RF)功率施加到电极上并且在电极之间的空间(放电区)中形成激光气体混合物中的气体放电。放电区中的电离气体提供了激光的增益介质。将电极分隔开的最优距离取决于激光气体混合物的压力、混合物的组成物、激光的波长和RF频率(射频)。对于约80兆赫(MHz)和IOOMHz之间的RF功率频率以及对于约50托和120托之间的气体混合物压力，典型的电极分隔距离在约1.4毫米(mm)和2. Imm 之间。CO2盘形激光器的输出功率与电极之间的放电区域成比例。输出通常为重复性的脉冲输出。CO2盘形激光器通常具有布置为形成负支非稳共振器的两个矩形凹面镜。一个镜放置为靠近两个矩形电极的各端，使得一个镜(输出耦合镜)比另一个(返回镜)短。负支非稳共振器具有混合模式的振荡。一种模式为弓I导波模式，弓I导波模式是在电极的相对朝向表面之间沿着电极的长度向下引导。另一种模式分量是由镜形成的自由空间模式，自由空间模式通过放电区在镜之间曲折进行直到辐射线通过绕过输出耦合镜而退出谐振腔。 镜的长度差确定了输出耦合的量。典型的是12%至15%的输出耦合。谐振腔镜通常由镀金铜(Cu)制成。反射表面覆有薄膜用于在CO2激光波长处具有高反射率，CO2激光波长通常为10. 6微米(μ m)、10. 3 μ m、9. 6 μ m或9. 3 μ m。金属镜通常安装在还用作RF电接地的激光器壳体的铝端凸缘上。该镜安装布置将金属镜置于地电位。 电极中的一个为带电的或“热”电极且与壳体绝缘。另一个电极为地电极且接地到壳体。镜应当定位为足够远离热电极以避免下述可能情况中的任一个在热电极和镜之间形成放电；将在放电中产生的带电离子种类吸引到镜；或者将镜过度暴露于在放电内产生的强UV辐射线。所有三种可能情况能够损伤镜，从而从输出功率、光束质量和寿命的观点看导致激光器性能降低。通常，通过陶瓷条间隔件将电极间隔开且保持彼此平行，陶瓷条间隔件沿着边缘且沿着电极的长度向下放置。当正确布置时，电极之间的陶瓷间隔件还提供了光束指向稳定性的提高。使用这种间隔件的问题是，如果激光器功率足够高，例如，约为3000瓦特(W) 峰值和1000Hz脉冲重复频率(PRF)，则陶瓷间隔件的端可被杂散的激光辐射线腐蚀掉，产生了可沉积到镜上的陶瓷颗粒。这些沉积物为进一步激光辐射线损伤形成了场所。在美国专利No. 5，216，689中描述了通过氧化在放电中产生的种类来保护谐振腔镜免受损伤的方法，该申请的内容通过引用并入本文。在这里，再结合表面是通过借助于附加到热电极的电介体来延长热电极的长度而形成的，使得热电极和电介体延长部等于地电极的长度。附加此电介体延长部扩展了金属电极之间的波导区。在到达热金属电极末端时，放电停止。因此，扩展的波导区不具有增益。‘689专利还公开了屏蔽件，在所述屏蔽件中具有孔隙以使激光模式穿过。在‘689专利中描述的方法通过氧化种类成功地解决了对激光镜的损伤问题，但是未解决来自从陶瓷间隔件腐蚀掉的微粒的损伤问题，由于激光器功率不足以高以使这种腐蚀发生。需要解决腐蚀问题以提供具有商业上可接受寿命的可靠的高功率CO2盘形激光器。发明概述在一个方案中，RF功率驱动气体放电激光器包括第一和第二细长平面型放电电极，第一和第二细长平面型放电电极布置为垂直地间隔开且彼此平行。电极彼此电绝缘，使第一电极用作带电电极且布置为接收来自其源的RF功率且使第二电极用作地电极。放电电极由第一和第二电绝缘间隔条间隔开，第一和第二电绝缘间隔条具有第一和第二相对端且沿着电极的相对边缘布置，使电极的内部边缘以第一距离横向间隔开。间隔条具有确定带电电极和地电极的垂直间隔的高度。第一镜和第二镜形成了纵向延伸而通过放电电极之间的空间的激光器谐振腔，以使得在当第一电极接收到RF功率时而在放电电极之间的激光气体中形成放电时激光辐射线在激光器谐振腔中循环。平面型辅助电极位于第一电极的各端处、在纵向上与第一电极间隔开、在垂直向上与地电极间隔开且电连接至第二电极。辅助电极具有在其上的两个凸起部，所述凸起部具有大致等于间隔条的高度且以小于第一距离的第二距离横向间隔开。辅助电极的凸起部使得激光辐射线对绝缘间隔条的腐蚀最小化。


并入说明书并构成本发明的一部分的附图示意性地图示了本发明的优选实施方案，并且与上文给出的一般性描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。图1是示意性地图示了依据本发明的包括放电电极布置的优选实施方案的(X)2盘形激光器的等距图。图2是示意性地图示了图1的电极配件的细节的片断、局部分解、等距图。发明详述现在参考附图，其中相同的部件由相同的附图标记表示，图1示意性地图示了依据本发明的包括放电电极配件12的(X)2盘形激光器10。描绘了笛卡尔轴X、Y和Z，其中Z 为谐振腔的传播轴，而X和Y分别为自由空间轴和波导轴。激光器10包括通过分别具有凹面反射表面18A和18B的镜组件14和16形成在一个轴(X轴)上的负支非稳共振器。反射表面18B在X轴上较短以允许输出辐射线在脱离谐振腔后按指示被耦合。在该实施例中，镜组件包括具有T形剖面的细长镜主体，使得反射表面形成在“T” 的柄部的底部上。通过螺丝22附接至“T”的头部的底侧的是与主体的金属不同的金属的条20。镜主体优选地为镀金铜，条20为不锈钢。该双金属布置的用途是，在激光器工作期间镜变热时，使得反射表面的曲率变化最小化。该镜组件通常安装到激光器壳体(未示出)的端凸缘上，所述激光器可以封闭了镜组件和电极且收容有激光气体混合物。在图1中，镜 16具有支架17，支架17加工为用于安装到该端凸缘上的镜的T形部分的头部的零件。类似的支架(不可见)设置在镜组件14上。(参见共同拥有的美国专利公布No. 2009/0034577， 该申请的内容通过引用并入本文。)电极配件12包括由沿着电极的边缘对齐的陶瓷条28(在图1中仅一个可见)间隔开的平行且细长的矩形放电电极M和26。电极沈为被供给RF功率的带电或电“热”的电极。电极M为地电极。电极M比电极沈长且在其各端处延伸而越过电极沈。存在与 “热”放电电极26的各端邻近而以间隙34与电极沈电隔离的金属延伸块或辅助电极32以及陶瓷间隔件观的延伸部四。放电电极和陶瓷间隔件通过螺栓36栓接到一起。延伸块 32、间隔件延伸部四和地放电电极沈也栓接到一起，它们与延伸块的凸起部33 —起将延伸块电连接至地放电电极且因此接地。该延伸块或辅助电极的创造性物理布置和电气布置为陶瓷间隔件提供了期望保护以免受杂散的腔间激光辐射线的腐蚀且因此保护镜组件的反射表面免受微粒损伤。在下文中更加详细地描述这种布置。应当注意的是，这里镜组件14和16仅为能够用于电极布置12的镜组件的一个实施例。这些特定的组件在这里仅用于表明负非稳共振器的反射表面与电极配件的关系。可以使用任何其它镜组件，使得反射表面具有相同的或某其它曲率，而不偏离本发明的主旨和范围。为了便于阐释，如上所述的放电电极比实际的实施例中的情况稍短。在下面的描述中提供示例性尺寸。图2是示意性地图示了电极配件12的细节和重要尺寸的片断的、局部分解的、等距图。仅描绘了电极配件的一端。另一端可类似的构造。在下面的描述中提到了某些构件的长度、宽度和厚度。这些术语是指分别沿Z轴方向、X轴方向和Y轴方向所取的尺寸。辅助电极32具有长度C且沿Z轴或长度方向以距离D与“热”电极沈的端间隔开。地放电电极M具有厚度A、宽度B和比“热”放电电极沈的长度长J的2倍的量的长度，其中J等于C加上D。放电电极延伸块对称地布置为一个在另一个的下方，以使得地放电电极的延伸块的端在X-Y平面内共平面。陶瓷条观具有放电电极之间的最大宽度E和厚度F。陶瓷隔离条的相对朝向的内部边缘之间的间隔为W2。陶瓷间隔条的延伸部四具有大致为宽度E的一半的缩减宽度 G。延伸块32的凸起部(凸出)33具有高度H，高度H优选地稍小于陶瓷间隔件观的厚度 F。这提供的是，间隔件确定了带电电极和地电极之间的垂直间隔，这样确保带电电极的电极表面26A和辅助电极的电极表面32A是共平面的。还优选的是，延伸块的凸起部的内部前边缘被削角，即以角度加工(如图2所示)，以使可能远离镜而照射这些端的任何腔内激光辐射线偏转，从而避免将引起杂散谐振的寄生反馈进入谐振腔。近似45度的角度通常适合于该用途。延伸块32的凸起部33的宽度I稍小于陶瓷间隔件的最大宽度E的一半。这是为了易于组装。延伸块的凸起部33的内部相对朝向的边缘之间的间隔W1稍小于W2。这防止杂散腔内激光辐射线扫射到电介体间隔条的端，从而防止电介体条的端腐蚀。选择电极的厚度A以便为电极的宽度B和长度提供足够的硬度。也将厚度A选择得足够大以在电极内容纳冷却液通道。为了简化说明，在图中未显示冷却液通道。通过实施例，在IkHz功率的PRF处具有3kW峰值功率的脉冲输出以及在电极中具有冷却液通道的
6盘形激光器中，A约为2. 6cm。在其余的描述中总是使用该激光器实施例，以便提供创造性电极布置的示例性尺寸。由于功率输出与CO2盘形激光器的放电区域成比例，电极的宽度B 和长度由来自盘形激光器的平均功率确定。对于当前的实施例，宽度B和电极长度优选地分别约为0. 1米(m)和0. 6m。陶瓷间隔条观的厚度F如上所述建立了电极间隔。电极间隔的最优值是由期望输出波长、RF频率、气体压力和组成物确定的。在当前的实施例中，F优选地约为1.5mm。陶瓷间隔条的宽度E优选地约为1. 4cm0为了降低故障的可能性，各陶瓷间隔条优选地由三个分段形成而不是单个条。在各个陶瓷间隔件分段之间优选地保留开式空间以用作用于由脉冲放电产生的声音震动的压力释放口，如本发明所属的技术领域所公知的。为了简化说明和描述，在图1中未描绘单独的分段。对于当前的实施例，延伸块32的凸起部33的高度H 近似为0. 15mm。F优选地为0. 16_。宽度I优选地为1. 19_。延伸块32与热RF电极间隔开距离D。间隔D必须足够大以使得在延伸块(处于地电位)和“热”放电电极26之间不发生气体放电。在当前的实施例中，D优选地约为6. 4mm。 除了用于结构刚性之外，延伸块的厚度不太重要。对于当前的实施例，近似8. 4mm的厚度是足够的。用于陶瓷间隔件观的每个分段的优选为两个的螺栓孔40沿着电极的长度的边缘设置且通过陶瓷间隔件以便与电极/陶瓷间隔件组件栓接到一起。电介体圆筒形管42首先插通放置于地放电电极M的顶面上的电介体垫圈44A且通过“热”放电电极沈的底面上的电介体垫圈44B。这提供的是，当螺栓36插入且螺母37被紧固以将电极配件保持到一起时，放电电极彼此电隔离。陶瓷管和垫圈不与螺栓孔41 一起使用，螺栓36插通螺栓孔 41以将地放电电极M、陶瓷间隔件延伸部四和延伸块32保持到一起。这提供的是，延伸块处于地电位，如上所述。这里，绝缘间隔条不具有绝缘功能且提供用以与电极间隔配合， 如上文讨论的。延伸块32的优选材料为铝。然而，重要的是，如果至少在延伸块的凸起部33的前部且优选地整个块使用铝，则应当镀有具有高熔点的相对惰性的材料，诸如镍。这是由于， 如果谐振腔未精确地对齐，则凸起部的前部暴露于杂散的腔内激光辐射线。如果块不镀有镍，则天然氧化铝(Al2O3)将形成在铝上。杂散辐射线对氧化物的加热可由于天然氧化物和基质铝材料之间的不均勻热膨胀而导致铝天然氧化物涂层“剥落”。当被激光辐射线加热时，这种“剥落”可产生热粒子。这些热粒子可引起对镜组件的反射表面的损伤。上文中依据优选的实施方案描述了本发明。然而，本发明不限于描述和描绘的实施方案。而是，本发明仅通过所附的权利要求限定。
权利要求
1.一种由射频(RF)功率驱动的气体放电激光器，包括第一和第二细长平面型放电电极，所述第一和第二细长平面型放电电极布置为垂直间隔开且彼此平行，并且所述第一和第二细长平面型放电电极彼此电绝缘，其中第一电极用作带电电极且布置为接收来自其源的RF功率，第二电极用作地电极，所述放电电极由第一和第二电绝缘间隔条间隔开，所述第一和第二电绝缘间隔条具有第一和第二相对端且沿着所述电极的相对边缘布置，所述电极的内部边缘以第一距离横向间隔开，所述间隔条具有确定所述带电电极和所述地电极的垂直间隔的高度；第一镜和第二镜，所述第一镜和第二镜形成纵向延伸通过所述放电电极之间的空间的激光器谐振腔，以使得在当所述第一电极接收到RF功率时而在所述放电电极之间的激光气体中形成放电时，激光辐射线在所述激光器谐振腔中循环；以及在所述第一电极的各端处的平面型辅助电极，所述平面型辅助电极在纵向上与所述第一电极间隔开、在垂直向上与所述地电极间隔开且电连接至所述第二电极，所述延伸块具有在其上的两个凸起部，所述凸起部具有大致等于间隔条的高度且以小于所述第一距离的第二距离横向间隔开，由此使得所述激光辐射线对所述绝缘间隔条的腐蚀最小化。
2.如权利要求1所述的气体放电激光器，其中，所述第一电极比所述第二电极短，并且所述第一电极、所述辅助电极和所述辅助电极的纵向间隔的组合长度大致等于所述第二电极的长度。
3.如权利要求1所述的气体放电激光器，其中，所述第一电极和所述第二电极是共平面的。
4.如权利要求1所述的气体放电激光器，其中，所述辅助电极的所述凸起部的朝向边缘在其各端处被削角，以用于防止杂散谐振形成在所述谐振腔内。
5.如权利要求1所述的气体放电激光器，其中，所述辅助电极和所述第一电极之间的纵向间隔足以在所述气体放电激光器工作的条件下防止所述第一电极和所述辅助电极之间发生气体放电。
6.如权利要求1所述的气体放电激光器，其中，所述间隔条为陶瓷材料的条。
7.如权利要求1所述的气体放电激光器，其中，所述绝缘条在纵向上延伸越过所述第一电极且确定所述辅助电极与所述第二电极的垂直间隔，由此所述第一电极和所述辅助电极是共平面的。
8.如图7所述的气体放电激光器，其中，所述间隔条在其各端处具有缩短宽度，缩短宽度配置为容纳所述辅助电极的所述凸起部。
9.如权利要求8所述的气体放电激光器，其中，所述间隔条为陶瓷材料的条。
10.一种盘形激光器，包括壳体，其收容有激光气体；一对细长的矩形平面型电极，它们以面对面的关系间隔地位于所述壳体内，所述电极中的一个作为热电极工作，并且另一个作为地电极工作；一对镜，所述一对镜与电极的相对端对齐且限定所述激光器谐振腔，并且其中，所述热电极的长度小于所述地电极的长度，并且定位为使得所述热电极的相对端比所述地电极的端更远离镜间隔开；以及一对金属延伸块，所述一对金属延伸块位于所述热电极的各相对端和相关的镜之间，各个所述延伸块在长度方向上与所述热电极间隔开且以与所述地电极面对面的关系定位， 所述延伸块接地以使得在所述地电极和所述延伸块之间不发生激光放电。
11.如权利要求10所述的激光器，其中，所述延伸块和所述热电极的端之间的间隔大于所述热电极和所述地电极之间的间隔。
12.如权利要求11所述的激光器，进一步包括一对细长电介体间隔件，所述一对细长电介体间隔件沿着其侧边缘位于电极之间且限定电极之间的间隔。
13.如权利要求12所述的激光器，其中，各所述延伸块包括形成在块的表面上的一对凸起部，所述凸起部朝向所述地电极且位于块的相对侧边缘上。
14.如权利要求13所述的激光器，其中，相对凸起的朝向边缘之间的横向间隔小于电介体间隔件的朝向边缘之间的横向间隔。
全文摘要
CO2气体放电激光器10包括垂直间隔开且彼此电绝缘的细长平面型带电电极和地电极(24，26)。电极由沿着电极的边缘布置的陶瓷间隔条(28)间隔开。辅助电极(32)位于带电电极的各端处、与带电电极共平面、在纵向上与带电电极间隔开、在垂直向上与地电极间隔开、但是电连接至地电极。辅助电极具有以比陶瓷条的内部边缘之间的距离小的距离间隔开的两个凸起部(33)。辅助电极的凸起部防止当激光器工作时由谐振腔中产生的激光辐射线腐蚀陶瓷条。
文档编号H01S3/03GK102273026SQ200980154322
公开日2011年12月7日 申请日期2009年12月22日 优先权日2009年1月7日
发明者华恭学 申请人:相干公司