专利名称：金属放电管二氧化碳激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用金属做放电管的封离式二氧化碳(CO2)激光器。
众所周知，封离式CO2激光器其功率水平远低于流动型的功率水平，其重要原因就是放电二氧化碳的分解，多年来人们致力于CO2的催化复原，不过采用的结构都是将催化装置放在放电通道之外，这样，二氧化碳放电分解出的氧原子，要通过一个较长时间才能来到催化部位，由于氧原子特别是激发态寿命很短(ms级)很快变成氧分子或其他氧化物而失去与一氧化碳在催化剂表面的活性，因此这种结构尽管有效果却不够理想。1989年发明人Macken提出一种称为分部催化的结构，就是将催化剂涂在激光器放电管的内壁形成一层催化膜，它可以将放电分解的氧原子与一氧化碳就地在催化膜上反应生成二氧化碳，因此使封离式二氧化碳激光器达到了纵向流动型激光器的水平(122瓦/米)。(IEEE J.Q.E.Vol.25 No.7,1989，“CO2laser performance with a distributedgold catalyst”.J.A.Macken et a1.)，但为了克服催化膜对放电的破坏作用，他们采用了溅射成膜及膜分割等结构，它的缺点是工艺复杂，成品率低。
本实用新型提出一种改进的金属放电管封离式二氧化碳激光器。用这种金属放电管，可实现CO2的分部催化还原，而且增加催化面积，还可增加激光器的冷却效果，不仅能获得均匀辉光放电，而且制造工艺简单。
本实用新型的结构参见附图1。激光器包括同轴心地置有三层套管，其中最外一层是贮气套1，中间一层是水冷套2，最内一层称为内管3，在内管3内有由叠加金属环41构成的金属管4，则由内管3和金属管4构成了激光放电管6，气体激光工作物质12就置于激光放电管6内。三层套管的右端，贮气套1与内管3直接相通，三层套管的左端，贮气套1与内管3之间有回气管5。在贮气套1两端的细管内，激光放电管6的两端有筒状的阴极7和阳极8。在贮气套1两端细管的端面上装有构成激光器谐振腔的凹面全反镜9和激光输出耦合镜10，三层套管可以是玻璃管，或者是石英管等。
上面所说的由金属环41叠加构成的金属管4的结构如图2所示。内管3的内径为D′2，与金属环41的外径D2基本上是相吻合的。即D′2-D2＜0.1mm，也就是说，金属环41叠加构成的金属管4置于内管3之内，两者是密配合。金属环41的厚度为d，金属环41与金属环41之间的间隙42为Δd。维持小间隙Δd有两种结构，一是在每个金属环41的一个面上均布至少三个绝缘(可以经表面阳极化处理)突出物43如图2-1和图2-3所示，或者在每片金属环41上布有一个厚Δd的绝缘环45如图2-2所示。绝缘环45可以采用玻璃或者聚四氟乙稀制成。金属环之间的绝缘是通过调整小间隙Δd的大小实现的，为了更确保金属环41的表面绝缘，在金属环41的表面包括突出物43，复盖一层绝缘膜46，如表面经阳极化处理，形成一层绝缘的氧化膜。每片金属环41的表面均复盖一薄层催化膜44(可采用化学镀膜的方法)。环与环间小间隙42Δd与金属环41厚度d的选择原则是要保证放电时的小间隙绝缘，不出现环与环间放电，并保证放电沿轴向均匀，即在环内及环外间隙处辉光分布均匀。设激光放电管内纵向电场强度为E，则两环间的电位降为E·d，或近似等于总电压V除以环数n，设环与环间击穿电压为Vs，则要求满足Ed＜Vs，Vs为气体激光工作物质12成分及压强与间隙乘积pΔd的函数，即Vs＝f(pΔd)(Vs＝pΔd曲线称为帕邢曲线)，上述函数有个特点，在某一(pΔd)m值时Vs最小，随pd值增加pΔd＞(pΔd)m或pd值减小pΔd＜(pΔd)m，Vs都随之增大，例如在CO2∶N2∶He＝1∶2∶4混合气体中，两平板电极间加直流电压放电，pΔd＝132乇·毫米时V＝350伏，pΔd＝108乇·毫米时，V＝375伏，pΔd＝57乇毫米时，V＝400V，当pΔd＜10乇·毫米时，V＞1000伏，通常封离式CO2激光器中，E～100V/cm，气压15～50乇，因此总可通过选择d及Δd使E·d＜Vs(p·Δd)，这样实现小间隙绝缘。但是厚度d也不可过大，否则容易造成在环内沿轴向的不均匀放电。实验得出，d越小，均匀性越好。一般封离式CO2激光器，(当气压15→＜50乇)选Δd为0.2～1mm，d为0.5～2cm，都有满意的结果。总的规律是Δd越小，绝缘性越好，d越小，纵向放电均匀性越好。金属环41的材料可用铜，或铝或镍。安装好的激光器件还要经过活化处理，使催化剂活化。这样，当激光器运转时，因放电引起的CO2分解产物氧原子及CO可就地在金属环的表面上的催化膜44上重新合成为CO2。
由于利用了小间隙Δd绝缘的叠加金属环41构成的金属管4，因而可实现在金属管中产生纵向均匀的直流辉光放电，这种结构的优点有(1)可以利用分部催化还原为CO2，并且由于大大增大了催化面积，而有利于提高催化还原的效率。(2)可更有效地对气体冷却。由下面推算可知，因采用金属环41给气体冷却带来的好处。设激光放电管6中与气体接触的金属环41内壁温度为T1，金属环41外壁与内管3的内壁间隙很小，而认为他们的温度一样，设内管3的外壁温度为T2，它基本上是冷却水的温度，表示气体冷却效果的是温度差T1-T2
其中k金，k玻分别是金属及玻璃的热导率，I、V为放电电流及电压，L为激光放电管6的长度，D1为激光放电管5的外径，取D1＝10mm，D2为金属环41的内径，取D2＝30mm，内管3采用玻璃管其壁厚δ＝1mm，
一般在2～3W/cm，k铜＝W/cm·度(金属环41采用铜帛成)，k玻＝0.01瓦/cm·度，则用本新型结构有T1-T2＝2.1～3.2℃，在已有技术中即不是由金属环41所构成的激光放电管，其T1-T2＝5.8～8.7℃，可见冷却效果已有显著的改善。(3)激光放电管的形状可以方便地改变，如加工成与TEM00相匹配的锥形放电管或某种列阵形式的放电管，而且比已有技术制作工艺简单。
图1是本实用新型封离式CO2激光器的结构示意图。
图2是本新型激光器含有三层套管1、2、3及金属管4的结构示意图。
其中图2-1为金属环41的一个面上均布三个绝缘突出物43的纵向剖视结构示意图。
图2-2为金属环41上布有一个厚Δd绝缘环45的纵向剖视结构示意图。
图2-3为图2-1的横向剖视图。
实施例如图1所示，本实用新型的关键是在该结构中实现均匀的辉光放电，本实施例中选用激光放电管6的内径φ12mm，放电管长30cm，两端为筒状电极，金属管4是用铜环叠加而成，每片金属环41厚d＝5mm或d＝10mm两种，金属环的间隙42Δd＝0.2mm，或Δd＝0.5mm或Δd＝1mm，充入气体激光工件物质12是CO2∶N2∶He＝1∶1∶3或1∶2∶8。
总气压p从5乇变化到50乇，放电电流从5ma变化到50ma，在上述结构的条件下都能获得均匀辉光放电，在金属环41与金属环41之间不出现放电，金属环41内部与金属环之间空隙处的通光区辉光分布都是均匀的。实施例中，选用Δd为0.2～1mm，d选用5～20mm，对通常封离式CO2激光器，无论在低气压还是高气压(＜50乇)，是在小电流或是大电流(5～50ma)都是适用的，也就是说均能获得均匀的辉光放电。
权利要求1.一种金属放电管封离式二氧化碳激光器，包括同轴心地置有三层套管，最外一层是储气套(1)，中间一层是水冷套(2)，最内一层是内管(3)，三层套管的右端，储气套(1)与内管(3)直接连通，三层套管的左端，储气套(1)与内管(3)之间有回气管(5)，在储气套(1)两端的细管内，内管(3)的两端置有筒状的阴极(7)和阳极(8)，储气套(1)细端的两端面置有构成激光谐振腔的凹面全反射镜(9)和输出耦合镜(10)，其特征在于在最内一层的内管(3)内置有由金属环(41)，在环(41)与环(41)之间留有间隙(42)地叠加而构成的金属管(4)，由内管(3)和金属管(4)构成内置有气体激光工作物质(12)的激光放电管(6)。
2.根据权利要求1的一种二氧化碳激光器，其特征在于构成金属管(4)的每片金属环(41)上均匀分布有绝缘突出物(43)，或者有绝缘环(45)。
3.根据权利要求1或2的一种二氧化碳激光器，其特征在于金属环(41)的表面有催化膜(44)。
4.根据权利要求1的一种二氧化碳激光器，其特征在于构成激光放电管(6)的内管(3)的内径D′2与金属管(4)的外径D2是密配合，即D′1-D2＜0.1mm。
5.根据权利要求1的一种二氧化碳激光器，其特征在于构成金属管(4)的金属环(41)的厚度d与两片金属环(41)之间的间隙(42)Δd应满足关系式E·d＜Vs(PΔd)式中E为激光放电管(6)内纵向电场强度，Vs为两片金属环(41)之间的击穿电压，P为气体激光工作物质(12)的压强。
专利摘要一种金属放电管封离式二氧化碳激光器,包括从外层至内层同轴心地置有储气套,水冷套和由内管及金属管构成的激光放电管。其中金属管是由表面带有绝缘突出物或者绝缘环以及表面覆盖催化膜的金属环,在环与环之间留有小间隙的叠加所构成。因此,该新型结构的激光器实现了分部催化CO
文档编号H01S1/00GK2275767SQ9622232
公开日1998年3月4日 申请日期1996年11月26日 优先权日1996年11月26日
发明者王裕民, 郑辉, 吴正亮 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所