专利名称：一种内腔扁平氦氖激光管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种气体激光管及其制备方法，尤其是涉及一种具有扁平放电截面的氦氖激光管及其制备方法。
背景技术：
发明专利“大功率氦氖激光器”(中国专利号85100563)提出了用扁平放电管技术设计、制造氦氖激光管，可适当增加放电管的横向截面而明显提高激光器的激光输出功率， 从而获得大功率氦氖激光输出。并用软玻璃经低熔点封接技术封接成氦氖激光管管壳。该专利是典型的外腔气体激光管结构，即激光管是由放电管、两电极泡、两布氏窗片构成的气密容器，而构成光学谐振腔的两介质膜反射镜是置于激光管外，装在微型调节架上，调节它们与激光管轴垂直，使光学谐振腔谐振而获得激光输出。这样由于两布氏窗片插入两介质膜反射镜构成的光学谐振腔内，增加了腔内光学损耗，不利于提高激光功率，也增加了激光器结构的复杂性和提高了成本。虽然这种结构对激光器制造者来说，便于调整光学谐振腔。 但对不熟悉激光技术的用户来说，使用就很不方便。实用新型专利“多管气体激光器用扁平气体激光管”(中国实用新型专利号 ZL00221758. 9)针对上述激光器中的激光管结构的一种改进，其结构是在激光器的左端贴以一介质膜反射镜，而其右端贴以一布氏窗片，这是典型的半外腔气体激光管结构，即激光管是由扁平放电管，两电极泡、一介质膜反射镜和一布氏窗片构成的气密容器。构成光学谐振腔的另一介质膜反射镜置于激光管外(右端)，装在微型调节架上，调节该反射镜使与管轴垂直，使光学谐振腔谐振而获得激光输出。与发明专利“大功率氦氖激光器”相比，这种结构对制造者而言，确实减少了激光器结构的复杂性和降低成本，也便于维护和使激光器结构紧凑，但对于不熟悉激光技术的用户而言，仍然使用不便，往往须依赖于厂家调整、维修。上述专利解决了氦氖激光器获得高功率输出问题，这种氦氖激光器与同样长度的一般氦氖激光器相比，其输出功率确实能成倍提高，其结构也确是国内外首创的。为改善腔内损耗和使用方便，最初也尝试过采用内腔结构，即构成光学谐振腔的两介质膜反射镜直接贴于激光管的两端，其结果却出乎意料，以同样的制造工艺制成的激光管的输出功率相差很大，在激光管制造过程中，要求两介质膜反射镜与激光管轴严格垂直，按一般圆截面内腔氦氖激光管的反射镜对光检验方法，制成的扁平截面内腔氦氖激光管能获得最大激光输出功率的几率不高，也就是说，同样的制造工艺制成的激光管的输出功率相差很大，一般来说，能出激光，但输出功率不大，以致激光管制造成品率很低。曾这样试制18支1. 5米长内腔结构扁平放电截面氦氖激光管，其中约有6(Γ70%的激光管输出功率只有3(Γ80毫瓦，约有3(Γ40%的激光管输出功率也只有8(Γ135毫瓦，而极个别激光管输出功率可达214毫瓦。 输出功率最大与最小之比竟达7倍左右，要有把握做成高功率输出几乎是不可能的，更谈不上合格率。经近三年的探索，发现激光管输出功率与构成光学谐振腔的凹面球面介质膜反射镜绕管轴旋转的方位有关，但这方位是未知的，内腔结构中的介质膜反射镜是固定不变的，因此要有把握制成内腔高功率扁平放电管氦氖激光器几乎是不可能的。扁平放电管氦氖激光器只能采用外腔或半外腔结构，因为这种结构可以在激光管获得激光输出后再调整凹面球面介质膜反射镜绕管轴旋转的方位，从而获的最大激光输出。但这种外腔或半外腔结构对制造者而言，增加激光器结构的复杂性和成本，虽便于调整，但对于不熟悉激光技术的用户而言，使用很不便，往往须依赖于厂家调整和维修。 而且由于腔内插入布氏窗片和有一段光程暴露于大气，增加了腔内损耗，影响提高激光输出功率。尤其是大气尘埃对布氏窗片和凹面球面介质膜反射镜的污染，会严重影响激光输出功率，尽管采取各种防尘措施(或超净环境)，一般也要每隔3飞个月擦洗一次布氏窗片和凹面球面介质膜反射镜(这些问题对内腔管来说是不存在的)，这些问题很明显大大影响这种高功率扁平放电管氦氖激光器的应用和推广。
发明内容
技术问题本发明提供了一种调整工作量小、腔内损耗小、有利于提高激光功率的内腔扁平氦氖激光管。本发明还提供了一种能有效获得较大激光输出功率、提高成品率的用于本发明的内腔扁平氦氖激光管制备方法。技术方案本发明的一种内腔扁平氦氖激光管，包括扁平放电管、阴极泡、阳极泡， 所述阴极泡和阳极泡分别熔接在扁平放电管左右两端的同一侧；在所述阳极泡内设有阳极，所述阴极泡内封接有长阴极边杆和短阴极边杆，所述长阴极边杆和短阴极边杆之间焊接有连接两者的氧化物阴极灯丝；所述扁平放电管的两端分别熔接有左贴镜管和右贴镜管，在所述左贴镜管的端面和右贴镜管的端面上分别设置有介质膜反射镜，两个介质膜反射镜分别为平面介质膜反射镜和凹面球面介质膜反射镜。本发明中，所述的扁平放电管、阴极泡、阳极泡和贴镜管均由硬质玻璃制成。本发明中，所述的扁平放电管由扁平玻璃管制成，所述的贴镜管、阴极泡和阳极泡由圆玻璃管制成。本发明中，所述左贴镜管上设置的为平面介质膜反射镜，所述右贴镜管上设置的为凹面球面介质膜反射镜。本发明中，所述平面介质膜反射镜和凹面球面介质膜反射镜的反射中心波长为 632. 8纳米。本发明中，所述平面介质膜反射镜和凹面球面介质膜反射镜是用真空密封胶分别粘贴在左贴镜管和右贴镜管上的。本发明中，所述长阴极边杆一端与阴极泡本体连接，另一端设置有蒸散型消气剂。本发明的一种内腔扁平氦氖激光管制备方法，第一步，用圆玻璃管熔制阴极泡和阳极泡，在阳极泡内设置阳极，在阴极泡内封接长阴极边杆和短阴极边杆，在长阴极边杆和短阴极边杆之间焊接氧化物阴极灯丝；在扁平放电管的两端分别熔接上圆玻璃管制成的左贴镜管和右贴镜管，将阴极泡和阳极泡分别熔接在扁平放电管左右两端的同一侧，使阴极泡、阳极泡和扁平放电管构成气路连通结构；将左贴镜管的端面和右贴镜管的端面割平并修磨，使这两个端面与扁平放电管的几何轴线垂直；
第二步，先用氦氖激光束穿过小孔光栏，使氦氖激光束与扁平放电管的几何轴线同轴， 然后在一端的贴镜管上放置所对应的介质膜反射镜，另一端的贴镜管上空置，观察介质膜反射镜的反射光束是否回到小孔光栏的小孔上，如果否，则继续修磨贴镜管端面直至反射光束能够回到小孔光栏的小孔上，如果是，则采用同样方法检验另一个介质膜反射镜的垂直度，当两个介质膜反射镜的垂直度都达到可使反射光束回到小孔光栏的小孔上时，进行
第三步；
第三步，在左贴镜管的端面和右贴镜管的端面上同时放置所对应的介质膜反射镜，然后观察介质膜反射镜的镜面上是否出现闪烁的振荡模式场图；当出现闪烁的振荡模式场图后，将平面介质膜反射镜固定在所对应的贴镜管上，然后绕扁平放电管几何轴线旋转凹面球面介质膜反射镜并观察在介质膜反射镜上产生的振荡模式场图，当振荡模式场图呈长宽比大于3:1的长条形时，停止旋转凹面球面介质膜反射镜并将其固定在所对应的贴镜管上。有益效果本发明的内腔扁平氦氖激光管采用内腔结构，构成光学谐振腔的两介质膜反射镜直接贴在激光管的两端，大大减少了腔内损耗(包括布氏窗片和大气尘埃带来的腔内损耗)，避免了大气尘埃对布氏窗片和凹面球面介质膜反射镜的污染，大大提高了激光输出功率。同时省去了原有的布氏窗片和用于调节反射镜垂直度的微型调节器及附属机构，大大降低了整机成本。缩短了腔长，减少了整机体积。本发明的激光管在生产厂家安装调试后，用户可直接使用而无须再进行调整，使用方便。本发明的管壳由硬质玻璃熔融而成，并在阴极泡用内设有消气剂，可延长激光管的寿命。本发明的内腔扁平氦氖激光管制备方法中，在贴镜管粘贴凹面反射镜前，修磨激光管两端贴镜管端面与扁平放电管的几何轴线相垂直后，绕管轴旋转凹面反射镜，采用氦氖激光腔内振荡法识别激光管最大输出功率时凹面反射镜所对应的方位，当腔内振荡模式场图呈长条形，可使激光管制成后的激光输出功率较大，可明显提高制造成品率。
图1表示本发明的内腔扁平氦氖激光管的结构示意图。图2表示本发明的内腔扁平氦氖激光管反射镜对光检验原理示意图。图3表示本发明的内腔扁平氦氖激光管对光良好时腔内振荡模式场图示意图。图中有扁平放电管1、左贴镜管11、右贴镜管12、阴极泡2、氧化物阴极灯丝21、 蒸散型消气剂22、长阴极边杆23、短阴极边杆24、阳极泡3、阳极31，平面介质膜反射镜41、 凹面球面介质膜反射镜42，左贴镜管端面111、右贴镜管端面121、内腔氦氖激光管51、内腔氦氖激光管51的激光束511、小孔光栏52、对光架53、升降台M。
具体实施例方式本发明的一种内腔扁平氦氖激光管，包括扁平放电管1、阴极泡2、阳极泡3，所述阴极泡2和阳极泡3分别熔接在扁平放电管1左右两端的同一侧；在所述阳极泡3内设有阳极31，所述阴极泡2内封接有长阴极边杆23和短阴极边杆M，所述长阴极边杆23和短阴极边杆M之间焊接有连接两者的氧化物阴极灯丝21 ；所述扁平放电管1的两端分别熔接有左贴镜管11和右贴镜管12，在所述左贴镜管11的端面和右贴镜管12的端面上分别设置有介质膜反射镜，两个介质膜反射镜分别为平面介质膜反射镜41和凹面球面介质膜反射镜42。
本发明中，所述的扁平放电管1、阴极泡2、阳极泡3和贴镜管11均由硬质玻璃制成。本发明中，所述的扁平放电管1由扁平玻璃管制成，所述的贴镜管11、阴极泡2和阳极泡3由圆玻璃管制成。本发明中，所述左贴镜管11上设置的为平面介质膜反射镜41，所述右贴镜管12上设置的为凹面球面介质膜反射镜42。本发明中，所述平面介质膜反射镜41和凹面球面介质膜反射镜42的反射中心波长为632. 8纳米。本发明中，所述平面介质膜反射镜41和凹面球面介质膜反射镜42是用真空密封胶分别粘贴在左贴镜管11和右贴镜管12上的。本发明中，所述长阴极边杆23 —端与阴极泡2本体连接，另一端设置有蒸散型消气剂22。本发明的一种内腔扁平氦氖激光管制备方法，第一步，用圆玻璃管熔制阴极泡2 和阳极泡3，在阳极泡3内设置阳极31，在阴极泡2内封接长阴极边杆23和短阴极边杆M， 在长阴极边杆23和短阴极边杆M之间焊接氧化物阴极灯丝21 ；在扁平放电管1的两端分别熔接上圆玻璃管制成的左贴镜管11和右贴镜管12，将阴极泡2和阳极泡3分别熔接在扁平放电管1左右两端的同一侧，使阴极泡2、阳极泡3和扁平放电管1构成气路连通结构； 将左贴镜管11的端面和右贴镜管12的端面割平并修磨，使这两个端面与扁平放电管1的几何轴线垂直；
第二步，先用氦氖激光束511穿过小孔光栏52，使氦氖激光束511与扁平放电管1的几何轴线同轴，然后在一端的贴镜管上放置所对应的介质膜反射镜，另一端的贴镜管上空置， 观察介质膜反射镜的反射光束是否回到小孔光栏52的小孔上，如果否，则继续修磨介质膜反射镜直至反射光束能够回到小孔光栏52的小孔上，如果是，则采用同样方法检验另一个介质膜反射镜的垂直度，当两个介质膜反射镜的垂直度都达到可使反射光束回到小孔光栏 52的小孔上时，进行第三步；
第三步，在左贴镜管11的端面111和右贴镜管12的端面121上同时放置所对应的介质膜反射镜，然后观察介质膜反射镜的镜面上是否出现闪烁的振荡模式场图；当出现闪烁的振荡模式场图后，将平面介质膜反射镜41固定在所对应的贴镜管上，然后绕扁平放电管 1几何轴线旋转凹面球面介质膜反射镜42并观察在介质膜反射镜上产生的振荡模式场图， 当振荡模式场图呈长宽比大于3:1的长条形时，停止旋转凹面球面介质膜反射镜42并将其固定在所对应的贴镜管上。下面结合附图，对本发明做进一步说明。本发明的内腔扁平氦氖激光管的结构如图1所示，其管壳用普通圆截面硬质玻璃管熔制成阴极泡2和阳极泡3，在阳极泡3内包含有钨杆制成的阳极31，在所述阴极泡2内封接有长阴极边杆23和短阴极边杆M，在长阴极边杆23和短阴极边杆M之间焊接有氧化物阴极灯丝21，在长阴极边杆23上焊接有蒸散型消气剂22。将扁平放电管1的两端分别熔接上两段圆截面硬质玻璃管作为左贴镜管11和右贴镜管12，然后将阴极泡2和阳极泡3熔接在扁平放电管1和左贴镜管11、右贴镜管12的交界处，阴极泡2、阳极泡3和扁平放电管1构成气路连通结构。将左贴镜管端面111、右贴镜管端面121割平，并修磨该两端面使其与扁平放电管1的几何轴线相垂直，在该两端面上分别用真空密封胶粘贴中心波长为632. 8纳米的平面介质膜反射镜41和凹面球面介质膜反射镜42，从而构成该激光管的管壳。平面介质膜反射镜41的反射率约为98%，作为激光输出镜，凹面球面介质膜反射镜42 的曲率半经为3米，其反射率为99. 98%以上。检验所述修磨激光管两端贴镜管端面与扁平放电管1的几何轴线是否相垂直的对光方法是采用氦氖激光腔内振荡法来检验的将待加工的扁平氦氖激光管管壳1置于对光架53上，将对光架53置于两个升降台M上，小型市售内腔氦氖激光管51的激光束511 穿过小孔光栏52的小孔，进入扁平放电管1内，并调节对光架53和升降台54，使氦氖激光管51的激光束511和激光管管壳1的几何轴线同轴，如图2所示。在图2中，为简便起见， 激光管1的示意图省略了阴极泡2和阳极泡3。检验时，将平面反射镜41置于左贴镜管11端面111处，若激光束511经平面反射镜41的反射光束正好打在小孔光栏52的小孔的正中，则说明平面反射镜41与扁平放电管 1的几何轴线是相垂直的，若激光束511经平面反射镜41的反射光束不打在小孔光栏52的小孔的正中位置，继续修磨该端面111，直至与扁平放电管1的几何轴线相垂直。同样，将凹面球面反射镜42置于右贴镜管12端面121处，若激光束511经凹面反射镜42的反射光束正好打在小孔光栏52的小孔的正中，则说明凹面球面反射镜42与扁平放电管1的几何轴线是相垂直的，即平面反射镜41与凹面球面反射镜42互相平行，由平面反射镜41与凹面球面反射镜42构成的光学谐振腔即可达到谐振状态。然后，将平面反射镜41置于左贴镜管端面111处，球面凹面反射镜42置于右贴镜管端面121处，由于激光束511能少量透过平面反射镜41，透过的光束在平面反射镜41与凹面球面反射镜42之间会产生振荡，这时在平面反射镜41与凹面球面反射镜42的两镜面上就能看到闪烁的振荡模式场图，其形状呈各种各样，图3中列举了对光良好时的几种腔内振荡模式场图。大量试验表明，将凹面球面反射镜42绕扁平放电管1的几何轴线慢慢旋转时，其振荡模式场图也在不断变化，当振荡模式场图呈长条形，并且该长条形的长宽比大于三比一时，即如图3中a、b、C、d、e等所示的形状时，在凹面球面反射镜42四周涂以真空密封胶，经固化后制成后的激光管能输出较大激光功率，以此可确定获得较大激光输出功率的凹面球面反射镜42的方位。反之，当振荡模式场图较小，呈圆、方或菱形，或该振荡模式场图的长宽比小于三比一时，如图3中f、g、h、i、j等所示的形状，在球面凹面反射镜42 四周涂以真空密封胶，经固化后制成后的激光管能输出激光功率较小。由于本发明中振荡模式场图的长条形为不规则图形，因此所说的长宽比中的宽度为该长条形最宽处的宽度。若扁平放电管1的长度为900毫米，内壁尺寸约为23X4. 5毫米，两端贴镜管的长度约为45毫米，其外径约为25毫米，其壁厚约为1. 5毫米，阴极泡2和阳极泡3都由外径约为30毫米、壁厚约为1. 5毫米的硬质圆玻璃管制成。光学谐振腔是平凹腔，即由一块平面反射镜和一块凹面球面反射镜构成，都是介质膜反射镜，中心波长为632. 8纳米，镜直径为25毫米，镀膜直径为22毫米，平面反射镜的反射率约为98%。凹面球面反射镜的曲率半径为3米，其反射率约为99. 98%以上，激光管经微细的清洗、排气等工艺处理后，充以氦氖混合比约为7 1的混合体，总气在约为0. 8mmHg，可获得70毫瓦以上的激光输出功率。经试验表明，本发明的内腔扁平氦氖激光管的激光输出功率与同样放电长度、同样放电截面的半外腔扁平氦氖激光管相比，其输出功率可提高2(Γ30%。
在激光管制造过程中，对光时出现的激光振荡模式场图和该激光管制成后激光输出功率的一组实验数据如下表所示
模式场图(图3)abCdefghij激光功率(毫瓦)86756864923338312428
气体激光器的基本工作原理是具有能产生粒子数反转的气体介质，在电源激励的条件下，形成气体放电，放电中的粒子数反转在一对互相平行的反射镜构成的光学谐振腔内来回反射，并得到光量子放大，当光量子的放大增益大于光量子的损耗时，光量子在光学谐振腔内产生振荡，并获得激光输出。在光学谐振腔内的光路上有各种透明的光学元件(如布氏窗)，都会增加光量子的损耗(布氏窗片与管轴线成布雷斯特角时，损耗最小)，从而影响激光振荡和激光输出。为使这种损耗最少，则希望光腔振荡光路上没有这些光学元件。由于凹面球面反射镜在光学冷加工的过程中，球面凹面反射镜的球心不可能严格位于圆镜的轴线上，在圆镜贴上贴镜管后，圆镜的轴线基本与扁平放电管的几何轴线相合， 若球面凹面反射镜的球心在扁平放电管扁平截面的长轴方向，那么腔内振荡时在长轴方向就有较大的模体积(镜面上的反射方向基本沿法线方向)，因此振荡模式场图呈长条形，输出功率也较大，这就是本发明反射镜对光检验方法原理。
权利要求
1.一种内腔扁平氦氖激光管，其特征在于包括扁平放电管(1)、阴极泡(2)、阳极泡 (3)，所述阴极泡(2)和阳极泡(3)分别熔接在扁平放电管(1)左右两端的同一侧；在所述阳极泡(3)内设有阳极(31)，所述阴极泡(2)内封接有长阴极边杆(23)和短阴极边杆(24)，所述长阴极边杆(23)和短阴极边杆(24)之间焊接有连接两者的氧化物阴极灯丝(21)；所述扁平放电管(1)的两端分别熔接有左贴镜管(11)和右贴镜管(12 )，在所述左贴镜管(11)的端面和右贴镜管(12)的端面上分别设置有介质膜反射镜，两个介质膜反射镜分别为平面介质膜反射镜(41)和凹面球面介质膜反射镜(42)。
2.根据权利要求1所述的内腔扁平氦氖激光管，其特征在于，所述的扁平放电管(1)、 阴极泡(2)、阳极泡(3)和贴镜管(11)均由硬质玻璃制成。
3.根据权利要求1或2所述的内腔扁平氦氖激光管，其特征在于，所述的扁平放电管 (1)由扁平玻璃管制成，所述的贴镜管(11)、阴极泡(2)和阳极泡(3)由圆玻璃管制成。
4.根据权利要求1或2所述的内腔扁平氦氖激光管，其特征在于，所述左贴镜管(11) 上设置的为平面介质膜反射镜(41)，所述右贴镜管(12)上设置的为凹面球面介质膜反射镜(42)。
5.根据权利要求1或2所述的内腔扁平氦氖激光管，其特征在于，所述平面介质膜反射镜(41)和凹面球面介质膜反射镜(42)的反射中心波长为632. 8纳米。
6.根据权利要求1或2所述的内腔扁平氦氖激光管，其特征在于，所述平面介质膜反射镜(41)和凹面球面介质膜反射镜(42)是用真空密封胶分别粘贴在左贴镜管(11)和右贴镜管(12)上的。
7.根据权利要求1或2所述的内腔扁平氦氖激光管，其特征在于，所述长阴极边杆 (23)—端与阴极泡(2)本体连接，另一端设置有蒸散型消气剂(22)。
8.—种权利要求1所述内腔扁平氦氖激光管的制备方法，其特征在于，第一步，用圆玻璃管熔制阴极泡(2)和阳极泡(3)，在阳极泡(3)内设置阳极(31)，在阴极泡(2)内封接长阴极边杆(23 )和短阴极边杆(24)，在长阴极边杆(23 )和短阴极边杆(24)之间焊接氧化物阴极灯丝(21);在扁平放电管(1)的两端分别熔接上圆玻璃管制成的左贴镜管(11)和右贴镜管(12)，将阴极泡(2)和阳极泡(3)分别熔接在扁平放电管(1)左右两端的同一侧，使阴极泡(2)、阳极泡(3)和扁平放电管(1)构成气路连通结构；将左贴镜管(11)的端面和右贴镜管(12)的端面割平并修磨，使这两个端面与扁平放电管(1)的几何轴线垂直；第二步，先用氦氖激光束(511)穿过小孔光栏(52)，使氦氖激光束(511)与扁平放电管 (1)的几何轴线同轴，然后在一端的贴镜管上放置所对应的介质膜反射镜，另一端的贴镜管上空置，观察介质膜反射镜的反射光束是否回到小孔光栏(52)的小孔上，如果否，则继续修磨贴镜管端面直至反射光束能够回到小孔光栏(52)的小孔上，如果是，则采用同样方法检验另一个介质膜反射镜的垂直度，当两个介质膜反射镜的垂直度都达到可使反射光束回到小孔光栏(52)的小孔上时，进行第三步；第三步，在左贴镜管端面(111)和右贴镜管端面(121)上同时放置所对应的介质膜反射镜，然后观察介质膜反射镜的镜面上是否出现闪烁的振荡模式场图；当出现闪烁的振荡模式场图后，将平面介质膜反射镜(41)固定在所对应的贴镜管上，然后绕扁平放电管(1) 几何轴线旋转凹面球面介质膜反射镜(42)并观察在介质膜反射镜上产生的振荡模式场图，当振荡模式场图呈长宽比大于3 1的长条形时，停止旋转凹面球面介质膜反射镜(42)并将其固定在所对应的贴镜管上。
全文摘要
一种内腔扁平氦氖激光管，由扁平放电管、贴镜管、介质膜反射镜、阴极泡和阳极泡组成，在阴极泡内设有氧化物阴极灯丝、阴极边杆，在阳极泡内设置有阳极，在扁平放电管的两端分别都有圆形贴镜管，在贴镜管的两端分别贴有介质膜反射镜。这种氦氖激光管具有输出激光功率高，用户使用方便，工作寿命长等优点。采用氦氖激光腔内振荡法检验作为光腔的反射镜与扁平放电管管轴的垂直度，并绕管轴旋转球面凹面反射镜，使腔内振荡模式场图呈长条形，并且该长条形的长宽比大于三比一，以此确定凹面球面反射镜的方位。利用这种检验方法可使制造成品率明显提高。
文档编号H01S3/03GK102340091SQ20111030186
公开日2012年2月1日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者凌一鸣, 王兆军 申请人:南京乐翔科技发展有限公司