专利名称：金属蒸气激光器放电管的制作方法
技术领域：
本发明属于气体激光领域。经检索与本发明相关的专利有1.美国专利 4，694，4632.欧洲专利 0 319 8983.美国专利 4，761，792上述三项专利都是关于金属蒸气激光器放电管的。其中美国专利4，694，463的放电管结构如图1所示。其中放电等离子体管，阳极，阴极和高温热绝缘层均置于一真空密封室内，此密封室是由阴极窗口，阴极，阴极座，金属波纹管A，高强度难熔陶瓷管，金属波纹管B，阳极座，阳极和阳极窗口组成。其各部分之间主要靠焊接，过渡封接密封，只有窗口玻璃用橡胶圈与窗口密封连接，这种结构不宜于更换损坏的零部件，只能一次性使用。
欧洲专利0319898的激光放电管结构，示于图2。其中同轴回流结构的金属圆筒是真空密封室的一个连接部件。在这样的真空密封室中，放电等离子体管的两个端部和阴极相应的插入部份之间必须对磨加工到气密程度。由于难融陶瓷管直度差，将它与钼筒对磨加工是很困难的。另外，在放电过程中由于溅射或局部定点放电引起的电极损伤也会破坏气密性，使得氖气不可避免的会从放电等离子体管两端进入热绝缘层，因此放电容易在阴极和同轴回流结构的金属圆筒边缘之间发生，破坏了阴极通过放电等离子体到达阳极的正常放电通道。
另外，器件做为放大器使用时，欧洲专利0319898通过增长阴极头部窗口到阴极端面的距离d1，减小阳极头部窗口到阳极端面的距离d2，同时令激光器放电管总长度不变来减小窗口沾污和防止放大自发辐射增加。实验证明，由d1，d2变化引起放电管总长度的增长并不会使放大自发辐射明显增加，另外，由实验可以看出，阳极头部窗口沾污是引起激光器放电管透过率下降的主要因素，因此减小d2只能加重阳极头部窗口沾污程度，使透过率进一步下降。
美国专利4，761，792与其他两专利不同，放电管是用难融陶瓷材料烧制而成，如图3所示。其中间部份是放电等离子体管。为减小放电加热引起等离子体管破裂，在放电等子体管内衬有一层难熔金属薄膜。由图3可见，此金属薄膜管的两端距阴极和阳极很近，放电容易从阴极通过金属薄膜到阳极发生，因此很难建立起在两电极之间通过放电等离子体管内的气体正常放电。另外，由于在此金属蒸气放电管外没有同轴回流结构的金属圆筒，所以放电等离子体管的长度不能大于500毫米。
上述三项专利中的放电等离子体管都要求选择直度＜0.006的难融陶瓷管制成。放电等离子体管愈长，小于0.006直度的难融陶瓷管会愈难选择，因为一般说来，愈长的难融陶瓷管直度愈差，因此等离子体管的长度受到限制，而且从大量的难融陶瓷管中选出合格的管子，这就提高了放电管的成本。
本发明的目的是设计一种克服上述缺点并且实用的金属蒸气激光器放电管。其中放电等离子体管用短管衔接技术衔接而成，不受选择管子材料有限长度的限制，用短的管料可以制成任意长度的放电等离子体管。
本发明的金属蒸气激光器放电管分为阴极头部，中间管体和阳极头部三部份。阴极头部包括阴极窗口，进气口，阴极头部法兰和阴极。中间管体部份包括放电等离子体管，高温热绝缘层，难融绝缘管，固定该绝缘管的阴极中法兰和阳极中法兰，同轴回流结构的圆筒和高压绝缘支撑架。阳极头部包括阳极窗口、排气口、阳极头部法兰和阳极。高压绝缘支撑架由高压绝缘支撑杆(通常用四根)固定于两端两圆盘上组成。
阴极头部，阴极中法兰，难融绝缘管，阳极中法兰和阳极头部之间用密封圈彼此密封连接成一真空密封室。放电等离子体管，热绝缘层，阴极和阳极都置于此真空密封室内。同轴回流结构的圆筒一端通过阳极中法兰和阳极头部法兰与阳极相连。同轴回流结构的圆筒的另一端接于高压绝缘支撑架的一个圆盘上，靠高压支撑架与阴极隔离。此同轴回流结构的圆筒位于真空密封室外，与放电等离子体管同轴置放，圆筒的材料通常选择导电性能好又有很好强度的金属，如铜、不锈钢等。
阴极头部，中法兰和阳极头部中均有水冷结构，为防止过热造成的损坏。
自阴极窗口到阴极端面的距离为d1，自阳极窗口到阳极端面的距离为d2。放电管作为激光振荡器使用时可取d1等于d2。如作为激光放大器使用时令d2≥2d1，则窗口透过率会有明显改善，尽管此时放电管总长度随之增加，其放大自发辐射并无明显变化。
本发明的放电等离子体管可以由两段或多段难融陶瓷管按需要长度逐段衔接而成。衔接方法是用一段外径略小于难融陶瓷管内径的难熔金属薄管作为衔接管，将衔接管两端各伸入两难融陶瓷管中，使两段陶瓷管从内部衔接起来。
在一般金属蒸气激光器放电条件下，只要控制衔接管长度为两段难融陶瓷管相加的总长度的0.08至0.12。这是为了避免发生电极到衔接管边缘或各衔接管边缘之间的附加局部放电。因为这种附加放电会影响整个放电管的均匀性和稳定性，此外，这种附加局部放电还会引起衔接管边缘被烧融。
为保证经衔接而成的放电等离子体管具有较好的刚度和直度，衔接管壁的厚度也要选择适当。通常厚度略小于或等于0.3毫米。此外衔接管边缘应平滑无毛刺。上述衔接方法称为短管衔接技术。
在相同放电条件下，用短管衔接术制成的放电等离子体管，不会因衔接而改变放电管的放电性能。金属蒸气工作物质也不易从两段难融陶瓷管衔接处溢出，因为放电过程中产生的焦尔热在放电等离子体管中的衔接部份是通过难融金属薄管传给难熔陶瓷管的。难熔金属薄管相当于增加了一个热屏蔽层，使衔接部份的管壁温度略高于其相邻难融陶瓷管的管壁温度。放电停止后，在散热过程中，衔接部份的散热亦较周围难融陶瓷管慢，故其管壁温度仍然高于其周围的。
上述放电管结构中作为放电离子体管使用的难融陶瓷管一般选用高温高纯度氧化铝陶瓷管(工作温度高于1500℃，纯度大于99.99)，热绝缘层一般选用高温氧化铝纤维毡(耐温1600℃，热导系数k＝0.5W/cmk)或定型氧化铝纤维管。高压绝缘管可选用石英管，或派勒克斯(Perex)玻璃，或高纯度氧化铝陶瓷管等。衔接管可用钼、钽、钨等金属材料制成的薄筒。密封圈常用氟或丁腈橡胶“○”圈，亦可使用铜、银等金属圆环。
本发明的优点1.用本发明所述的短管衔接技术可以制成任意长度的放电等离子体管，不受选择难融陶瓷管材料有限长度的限制。特别对用于大功率金属蒸气激光器中制造长度远大于一米的放电等离子体管有实际应用价值，因为φ40以上的难融陶瓷管有限长度仅为一米，直度一般为每米8-10毫米，用于放电管的要小于每米6毫米的直度，要选择长的合格的难融陶瓷是相当困难。而用短管衔接技术制成的放电等离子体管其直度可以容易地达到要求。
2.由第一点优点可知，短的难融陶瓷管材料的质量选择优于长的难融陶瓷管，短的优质难融陶瓷管容易生产，管材价格也便宜，因此用短管衔接技术制作放电等离子体管可以降低放电管的成本。
3.真空密封室各连接部份均用密封圈密封，使用放电管拆装灵活，调换部件方便，实用性强。
4.放电管做为激光振荡器使用时一般取d1＝d2，若放电管作为激光放大器使用时，只需取d2≥2d1就能达到满意效果。所以本发明的金属蒸气激光器放电管既可以用于激光振荡器，又可以用于激光放大器。
5.本发明的同轴回流结构的金属圆筒置于真空密封室外，这就避免了阴极通过同轴回流结构的金属圆筒放电，从而保证了放电的稳定可靠。
图1为美国专利4，694，463的放电管结构示意图。图中1-阳极 9-阴极座2-阳极座 10-阴极3-金属波纹管B 11-阴极窗口4-气密容器 12-高压输入线5-难融陶瓷管 13-地线6-放电等离子体管 14-外包热绝缘层7-高温热绝缘层 15-同轴回流结构的金属圆筒8-金属波纹管A 16-阳极窗口图2为欧洲专利0319898的放电管结构示意图。图中17-高压绝缘筒 21-金属工作物质18-谐振腔镜 22-气体供应系统19-排气口 23-进气口20-真空泵 24-谐振腔d1-阴极窗口到阴极端面的距离d2-阳极窗口到阳极端面的距离图3为美国专利4，761，792的放电管结构示意图。
25-内衬难熔金属薄膜图4为本发明放电管的结构示意图。
26-阴极中法兰27-高压绝缘支撑架28-难融绝缘管29-衔接管
30-阳极中法兰31-阳极头部法兰32-阴极头部法兰33-密封圈图5为本发明的金属蒸气激光器放电等离子体管由三段难融陶瓷管衔接而成的结构示意图。
图6为本发明的金属蒸气激光器放电管作为放大器使用时的结构示意图。图中d2＝2d1。
最佳实施例实施例1如图4所示的结构。其主要结构参数为放电等离子体管6 φ55×1300该管由φ55×1000和φ55×300两根短管衔接而成。
衔接管29 φ47.5×100壁厚0.3难融绝缘管28 150×1670阴极10 φ47×250 壁厚2阳极1 φ47×250 壁厚2d1＝d2 150阴极窗口11 φ90阳极窗口16 φ90高压绝缘支撑杆27 φ10×150衔接管材料选用薄钼筒。密封圈有的选用氟橡胶有的选用丁腈橡胶“○”圈。难融绝缘管材料选用石英管，难融陶瓷管材料选用高温高纯度氧化铝陶瓷管。电极材料选用钼筒。高压绝缘杆选用玻璃钢材料。放电管各金属部件如中法兰，阴极和阳极头部，同轴回流结构的金属圆筒等都选用不锈钢材料。上述结构的放电管用作铜蒸气激光器，其平均输出功率为45瓦。
实施例2如图5所示的结构，其主要结构参数为放电等离子体管6 φ55×1300该管是由φ55×400加φ55×500加φ55×400三段短管衔接而成。
其他主要结构参数和材料选择均与实施例1相同。
上述结构的放电管用作铜蒸气激光器，其平均输出功率为45瓦。
实施例3如图6所示的结构其主要结构参数为放电等离子体管6 φ40×1100该管由φ40×700和φ40×400两根短管衔接而成。
衔接管29 φ34.5×100壁厚0.3难融绝缘管28 φ120×1420阴极10 φ34×200 壁厚2阳极1 φ34×150 壁厚2d1＝150，d2＝300阴极窗口11 φ70阳极窗口16 φ70高压绝缘支撑杆27 φ10×150(以上长度单位均为毫米)
各部件材料选择与实施例1，2相同。
用上述结构的放电管用作铜蒸气激光器放大器时，其平均输出功率为25瓦。
权利要求
1.一种属于气体激光的金属蒸气激光器放电管，分为阴极头部、中间管体和阳极头部三部分，其中阴极头部包括阴极窗口、进气口和阴极；中间管体由中心轴线向外同轴置放有放电等离子体管，高温热绝缘层，难融绝缘管，同轴回流结构的圆筒；阳极头部包括阳极窗口、排气口和阳极，其特征在于由难融绝缘管向内构成的真空密封室所有衔接部分包括固定于难融绝缘管两端的中法兰、阴阳两极的头部法兰和窗口全部以密封圈封接；放电等离子体管可以采用短管衔接技术衔接而成；d2≥d1(其中d1为阴极头部窗口到阴极端面的距离，d2为阳极头部窗口到阳极端面的距离)；置于真空密封室外的同轴回流结构的圆筒一端通过阳极中法兰和头部法兰与阳极相连，另一端有高压绝缘支撑架支撑与阴极隔离。
2.根据权利要求1所述的一种金属蒸气激光器放电管，其特征在于短管衔接技术是用衔接管将分段的短管衔接成所要求长度的放电等离子体管。
3.根据权利要求1或2所述的一种金属蒸气激光器放电管，其特征在于衔接管是金属管，壁厚小于等于0.3毫米，长度为衔接两段放电等离子体管相加总长度的0.08至0.12。
4.根据权利要求1所述的一种金属蒸气激光器放电管，其特征在于高压绝缘支撑架是由支撑杆和支撑杆两端的圆盘组成的。
全文摘要
一种属于气体激光的金属蒸气激光器放电管，分为阴阳极头部和中间管体三部分。中间管体由中心轴线向外同轴置放着放电等离子体管，高温热绝缘层，难融绝缘管，同轴回流结构的圆筒。其同轴回流结构的圆筒置于真空密封室外一端与阳极相连，一端与阴极隔离。真空密封室所有的连接部分均用密封圈相连，放电等离子体管可以用短管衔接技术衔接，该放电管既可用于激光振荡器，也可用于激光放大器，具有拆卸方便，放电均匀稳定可靠，成本降低等优点。
文档编号H01S3/03GK1059426SQ9010291
公开日1992年3月11日 申请日期1990年8月20日 优先权日1990年8月20日
发明者梁宝根, 陈林, 陶永祥, 尹宪华, 崔健力 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所