一种获得稳定的多管并联激光管的方法
【专利摘要】一种获得稳定的多管并联激光管的方法，主要用于改善封离型二氧化碳激光器的性能。这种方法的主要特点是多管并联激光管由两个或两个以上放电管和光腔组成；其中，所有光腔的光学元件都安装在刚性很好的光桥上，形成一个稳定性很好的光腔；而所有的放电管则通过弹性或柔性波纹管组件与光桥柔性连接。用这种方法制作的激光管不受放电管影响，放电管的发热变形等状态与光腔无关，激光管的工作比较稳定。
【专利说明】一种获得稳定的多管并联激光管的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光领域，主要用于改善封离型二氧化碳激光器的性能。
【背景技术】
[0002] 封离型二氧化碳激光器是指一种玻璃管激光器（以下简称为激光管)。主要特征是 一次性将激光混合的工作气体充入激光管内，然后封闭起来，不再打开，工作气体在气体放 电过程中被激发而产生激光，只要放电就能使激光出光工作，直至激光管工作到报废。这种 激光管的功率水平一般是中小功率(指500W以下)，寿命为1000-5000小时。由于这种激光 管价格便宜(例如一个60W的激光管售价在1000元人民币左右)，目前激光管市场需求大， 激光管在中国的年需求量就超过了 100000个，在全世界就超过了 200000个。目前国际上 的功率水平是50-100W/M，就是说一个1米长的激光管的功率是50-100W。如果要做一个 500W的激光管，就要将激光管做到10M长。显然这么长的激光管在应用中非常不方便，极 大地限制了激光管的应用。因此，人们就用双管或多管(指3根管及3根管以上）并联和激 光谐振腔（以下简称光腔）串联的办法制造激光管，以此获得功率高一些长度短一些的激光 管。例如，用4根2. 5M的激光管并联和光腔串联的办法可以获得500W功率的激光管，激光 管整体就只有2. 5M长而不是10M长。严格地说，这时的激光管是由若干个放电管并联然后 加上光腔而构成的；而其中的这些放电管在单独与镜片组合时是激光管，光腔则是将所有 放电管串联起来的光腔；为了叙述方便，本说明书将激光管与其中的放电管单元不加区别， 统统称为激光管或放电管；以下将这种两根或两根以上放电管并联、光腔串联的激光器称 为多管并联激光管。然而，这种多管并联激光管最明显的问题是激光管工作不稳定。如果 一个120W的单根激光管能工作2000小时的话，用4根激光管并联和光腔串联获得的500W 激光管的稳定工作时间甚至不能超过100小时。工作寿命短的问题如此突出的主要原因 是：普通激光管的光腔是用胶粘或其它方法固定在玻璃放电管上的，玻璃放电管既有放电 使气体激发的功能又有支撑光腔的功能，激光管工作时发热和其它原因产生变形导致光腔 失调。一个不用并联的单根激光管只有一个输出耦合镜和一个全反射镜，它们直接固定(粘 接或硬封）在玻璃管的两端，如果玻璃管在工作中不发生变形则激光就可以长期稳定输出， 如果发生变形就影响激光输出，变形严重就没有激光输出。而并联的玻璃管将增加全反射 镜的数量，每多并联1根玻璃管就要将光路折返1次而增加1或2个全反射镜，光腔长度也 随之增加了 1根管的长度。例如用4根长度为2. 5M的激光管并联和光腔串联获得的500W 激光管的光腔长度是10M，全反射镜的数量多的有7个。这样长的光腔和这样多的镜片，如 果按照上述直接固定在玻璃管两端的办法所获得的激光管的实际效果是玻璃管在工作中 由于气体放电发热或其它原因而产生变形，这么多的镜片中有一个的位置变形严重或多个 轻微变形的积累就会导致激光管不能工作。一般而言，激光管的镜片的入射线或反射线与 光轴在理想状态下是重合的，具体激光管镜片的入射线或反射线与光轴总有一定的夹角偏 离。一个长度为1M的激光管的夹角偏离不允许超过3秒（1秒为1度的3600分之1)，再 大就不能工作。一个10M的激光管的这种夹角偏离要求更苛刻，不允许偏离1秒，这意味着 玻璃管的弯曲变形和镜片的偏转变形都必须控制在几微米以内。实际双管或多管并联的 玻璃管放电中会发生立体空间的变形，满足这种变形量在微米数量级的苛刻要求是不可能 的。因此，400W以上的激光管在实际应用中很少，远远不能满足实际生产的需要。
【发明内容】
[0003] 针对传统多管并联激光管寿命比较短、工作不稳定的缺点，本发明的目的是提供 一种获得稳定的多管并联激光管的方法。这样，多管并联激光管可以长期稳定工作。
[0004] 为了实现上述目的，本发明的主要方法是：将两根或多根激光管并联起来，并将串 联的光腔(包括所有的组成光腔的光学元件）安装在一个稳定性很高的光桥上，光桥与玻璃 激光管柔性或弹性连接，这样光腔实际上与玻璃管脱离，光腔不受玻璃管变形的影响；因为 光桥只是一个与其它部件基本脱离、不受其它部件影响的独立结构，所以只要光桥稳定光 腔就稳定，激光管工作也因此稳定。这里所述的光桥是指一个刚性的支架，基本结构有多 种，其核心是有两个光桥端板和3根或4根光桥支撑杆经螺母锁紧成为一个刚性的整体结 构或直接焊接为一个刚性的整体结构；还可以是圆形管状结构、或者方型管状结构或其它 结构；这些结构可以是螺纹紧固结构或直接焊接结构；组成光桥的材料可以是金属材料或 非金属材料。设计的光桥一般是对称的、由于光桥的长度比单根激光管略长而在宽度和高 度方向对称且尺度较小，因此如果遇到环境温度变化只有在长度方向有比较明显的变化而 在其它方向变化较小可以忽略不记，只有长度变化而没有镜片角度变化的工业或医疗激光 光腔对激光输出的影响也是可以忽略不记的。这是因为光腔长度的少量变化只会影响激光 光束纵模而基本不影响横模，绝大部分工业加工或医疗用的激光管是不考虑纵模而只考虑 横模。
[0005] 本发明的激光管在具体工作中放电的玻璃管仍然与原来的激光管一样会产生发 热、变形，但其发热、变形仅限于玻璃管自身，由于光腔是独立于玻璃管的，因此光腔不会产 生变形。在这种结构中，即使玻璃管变形超过500微米对激光输出也不会产生实质性影响。
[0006] 根据不同的需要，这样的激光管功率可以设计为100W到1000W甚至更高，激光光 束模式为基模或低阶模，寿命可以达到5000小时以上，如果能将放电中的气体分解有效抑 制，寿命可以超过10000小时。此外，如果在这样的激光管上安装一个可以多次更换气体的 阀门，实现激光气体的多次再生，寿命可以延长至几万小时；或者在激光管中增加一个真空 排气和充气系统，实现激光气体的多次更换，同样也能将激光管的寿命延长至几万小时。
[0007] 可见，本发明的优越性在于：1、激光管的光腔稳定，从而实现激光管的长期稳定工 作；2、可以通过多管并联和光腔串联的办法实现激光功率的成倍增加，功率做到1000W以 上也是可以实现的；3、通过气体再生或更换能实现激光管的长寿命工作；4、有利于低成本 的中等功率的激光管的实用化。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 本发明采用的基本结构之一示意如图1，图1中主要是表示了双管并联的结构，但 这种结构很容易类推到多管并联的情况。图1中，（1)和（2)是两个玻璃放电管组件；（3)、 (4)、（5)和（6)是4个带连接法兰的弹性波纹管组件(波纹管组件的放大图为图2,波纹管 组件可以由其它弹性元件代替);（7)和（8)是使光路转折90度的全反射镜(根据需要，转折 的角度可以是按照设计者希望的任何值）；（9)是光腔的全反射镜；（10)是激光输出窗口； (11)是光桥组件；（12)是带密封元件的转折镜安装座(简称转折镜座);（13)是带密封元件 的反射镜和输出窗口的安装座(输出镜座）；（14)和（15)分别是两组将转折镜座和输出镜 座固定在光桥上的螺钉。由于其它元件与普通玻璃激光管没有什么区别，本说明书对其它 部分不做描述。
[0009] 上述光桥的基本结构有几种，本说明书叙述其中两种，分别不意如图3和图4。在 图3中，（16)和（17)是两个光桥端板，（18)、（19)、（20)和（21)4根光桥支撑杆(实心或空 心都可以)，（22)、（23)、（24)和（25)是4个锁紧螺母，也可以不用锁紧螺母而直接将两个 光桥端板和4根光桥支撑杆焊接起来。图4和图3基本思想相同，不同的是只采用了 3根 光桥支撑杆。不难看出，光桥可以采用其它结构，例如圆形管状结构、或者方型管状结构，可 以是用螺钉紧固结构，也可以是焊接结构。
[0010] 从图1中明显看出，本发明的激光管的所有的光腔元件是安装在光桥（11)上的， 光腔与放电玻璃管是通过弹性元件进行柔性连接的，因此光腔调节好以后是独立于放电玻 璃管的，不受放电玻璃管变形的影响。由于光桥是对称设计的，只要光桥的刚度足够好，就 不会产生扭曲变形，因此光腔能长期稳定工作。
【具体实施方式】
[〇〇11] 本发明的具体实施例子如下：将4根1800mm的玻璃管激光管按照本发明的方式 并联，放电管直径15mm，抽真空后充入C02 : N2 : He的混合比例为1 : 3 : 5的混合气 体为工作物质，气体压力为4kPa，触发电压24-32kV，放电工作电压18-26kV，单管放电电流 20-30mA，4根管的总电流80-120mA，光腔由曲率半径为10000mm的镀金全反射镜、6个转折 镜为平面全反射镜和输出透过率为70%的平面ZnSe镜组成，接通激光电源，在放电状态下 将光腔调节到最佳状态，这样的激光管功率可以达到500W以上，激光光束模式为基模，寿 命可以达到5000小时以上，如果能将放电中的气体分解有效抑制，寿命可以超过10000小 时。
【权利要求】
1. 一种获得稳定的多管并联激光管的方法，其特征在于：将两根或多根激光管并联起 来，并将串联的光腔(包括所有的组成光腔的光学元件）安装在一个稳定性很高的光桥上， 光桥与玻璃激光管柔性或弹性连接，这样光腔实际上与玻璃管脱离，光腔不受玻璃管变形 的影响；这种方法使放电管的发热变形等状态与光腔无关，不影响激光管的工作和激光输 出。
2. 按权利要求1所述的一种获得稳定的多管并联激光管的方法，其特征在于：光桥的 基本结构有多种，其核心是有两个光桥端板和3根或4根光桥支撑杆经螺母锁紧成为一个 刚性的整体结构或直接焊接为一个刚性的整体结构；还可以是圆形管状结构、或者方型管 状结构或其它结构；这些结构可以是螺纹紧固结构或直接焊接结构；组成光桥的材料可以 是金属材料或非金属材料。
3. 按权利要求1所述的一种获得稳定的多管并联激光管的方法，其特征在于：根据不 同的需要，这样的激光管功率可以设计为100W到1000W甚至更高，激光光束模式为基模或 低阶模，寿命可以达到5000小时以上，如果能将放电中的气体分解有效抑制，寿命可以超 过10000小时。此外，如果在这样的激光管上安装一个可以多次更换气体的阀门，实现激光 管的多次再生，寿命可以延长至几万小时；或者在激光管中增加一个真空排气和充气系统， 实现激光气体的多次更换，同样也能将激光管的寿命延长至几万小时。
【文档编号】H01S3/03GK104112969SQ201310134945
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月18日 优先权日:2013年4月18日
【发明者】陈清明 申请人:陈清明