专利名称：微波激励快轴流气体激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光器，特别是涉及微波激励快轴流气体激光器。
早在60年代，气体激光问世之后，人们就开始研究微波激励气体激光，但都因为高频趋肤效应引起的放电不均匀导致光电效率低，无明显进展。在1986年，由于发明了新的微波放电腔及点火装置(见美国专利U.S.Patent 4780881和德国专利DE 3743258)，在快轴流条件下，放电维持在光轴上，并在二氧化碳激光实验中，光电转换效率达25％。在上述发明中，提供一种由若干个相同的T型微波放电腔通过水冷三通串并构成激光气体放电总体结构，两端装上激光谐振腔，磁控管通过二螺钉匹配器将微波耦合到放电腔中，在每个放电腔中装有T型介质放电管，激光气体从介质放电管中间进从两边流出，通过1/4波长点火装置形成气体放电，构成微波激励气体激光器。其中，每个微波放电腔的横向尺寸略大于微波截止尺寸，其放电在轴向上已无明显驻波结构，提高了激光功率输出。但仍存在一些问题有待改进。1．轴向上的放电仍存在一些不不均匀性。2．由於T型放电腔模块结构，放电后的激光气体由两端流出，在靠近光学谐振腔的两个T型放电腔流出的激光气体对光学谐振腔镜片造成污染，减少了光学谐振腔镜片的寿命。3．发明没给出放电腔间连接的合理结构。后来人们又改进了它的点火装置，采用具有一定曲率的陶磁介质片为导流块，在一氧化碳激光实验中获得较好的结果。但该点火装置流阻大，点火不均匀。在我们的大量研究中发现，如果上述问题不解决，难于做出实用化的微波激励快轴气体激光器。本实用新型的目的本实用新型的目的在于克服已有技术的缺点和不足，为了提高微波激励快轴流气体激光器轴向放电的均匀性和减少电火装置的流阻，使点火稳定和可调，以及减少放电对激光腔镜的污染，提高激光器的功率和寿命，从而提供一种实用化的微波激励快轴流气体激光器。本实用新型的目的是这样实现的本实用新型提供的微波激励快轴流气体激光器，如
图1所示，它是由激光输出窗(1)和激光输出窗架(17)通过金属中空匹配螺环(2)同L型微波放电腔(4)连接，L型微波放电腔(4)通过金属中空密封螺订(5)同铝水冷三通(6)连接，铝水冷三通(6)另一端通过金属中空密封螺订(5)同T型微波放电腔(7)连接，T型微波放电腔(7)另一端通过金属中空密封螺订(5)同第二个铝水冷三通(6)连接，按需要可再重复连接若干个T型放电腔(7)，为减短激光器的长度，还可通过两个L型微波放电腔和两个45度全反镜折迭组装，最后一个T型微波放电腔(7)通过铝水冷三通(6)同L型微波放电腔(4)连接，L型微波放电腔(4)另一端通过金属中空匹配螺环(2)同激光谐振腔全反镜(8)相连。激光气体由L型和T型微波放电腔(4,7)上的λ0/4点火装置(3)进入到介质气体放电管(16)，接着从铝水冷三通(6)流出，微波磁控管(9)输出的微波，在L型和T型微波放电腔(4,7)上的λ0/4点火装置(3)的侧面通过二螺钉微波阻抗匹配器(10)耦合到L型和T型微波放电腔(4,7)中。
详细结构如图2和图3所示，其中1．L型和T型微波放电腔(4,7)的横向尺寸a略小于微波截止尺寸λ0/4,λ0=微波真空波长，a的范围在微波真空波长的48％至49.5％，精确数值由放电参数决定。L型和T型微波放电腔(4,7)，在未放电时处于截止状态，一旦点火放电，便满足微波传输条件，提高了轴向放电的均匀性。
2．在λ0/4点火装置(3)中，采用球型金属导流球(14)，金属导流球(14)的直径为介质气体放电管(16)进气口直径的0.618。在球的顶端装有可替换的金属、石墨可调点火头(13)，其尖端尺寸为φ1×1mm，实现了流阻小和点火稳定。
3．靠近激光输出腔架(17)和激光谐振腔全反镜(8)的两个L型微波放电腔(4)，在它的短端面装有带双面螺纹的金属中空匹配螺环(2)，通过它的外螺纹和L型微波放电腔(4)的短端面相接，通过它的内螺纹和金属中空密封螺订(5)相连，在L型微波放电腔(4)中的微波介质气体放电管(16)的短出气端伸进激光输出窗架(17)或激光谐振腔全反镜(8)2至3mm，金属中空密封螺订(5)的内径略大於微波介质气体放电管(16)出气口的外径，金属中空密封螺订(5)其一端拧在金属中空匹配螺环(2)内，另一端通过金属楔形垫圈(12)将硅密封圈(15)紧压在激光输出腔架(17)和激光谐振腔全反镜(8)上，调节金属中空密封螺订(5)和金属中空匹配螺环(2)，实现阻抗匹配和真空密封。在谐振腔镜方向无气流，减少了放电对腔镜的污染，提高了激光器的功率和寿命。
4．L型和T型微波放电腔(4,7)间的连接采用铝水冷三通(6)，在L型和T型微波放电腔(4,7)中的微波介质气体放电管(16)的两出气端伸进铝水冷三通(6)2至3mm，在L型和T型微波放电腔(4,7)和铝水冷三通(6)之间采用金属中空密封螺订(5)，金属中空密封螺订(5)的内径略大於微波介质气体放电管(16)的外径，金属中空密封螺订(5)其一端拧在L型或T型微波放电腔(4,7)的端面上，另一端通过金属楔形垫圈(12)将硅密封圈(15)紧压在铝水冷三通(6)和介质气体放电管(16)上，装卸简单，并确保真空密封和微波无泄漏。本实用新型的优点本实用新型提供的技术制做的微波激励快轴流CO2激光器，其输出功率大于500瓦，光束为TEM10模，光束发散角小于1.5mrad，连续8小时工作，功率不稳度小于±2％，达到实用化水平，又因L型微波放电腔设计，减少了放电对腔镜的污染，提高了激光器的输出功率和寿命。发明的较佳实施例
以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明图1．微波激励快轴流气体激光器总体结构示意图图2．T型微波放电腔的结构图图3．L型微波放电腔的结构图图面说明如下1．激光输出窗 2．金属中空匹配螺环 3．λ0/4点火装置 4．L型微波放电腔 5．金属中空密封螺钉 6．铝水冷三通 7．T型微波放电腔 8．激光谐振腔全反镜 9．微波磁控管10．二螺钉微波阻抗匹配器 ··按需要可增加T型放电腔11．硅密封圈 12．金属楔形垫圈 13．金属、石墨点火头 14．金属导流球 15．硅密封圈 16．介质气体放电管17．激光输出窗架λ0微波真空波长 h=λ0/4 a=(0.48-0.5)λ0b=(0.32-0.4)λ0D=(0.2-0.4)λ0d=0.618Dc=λ0/4实施例1．本实用新型按图1、图2、图3，可制做一台微波激励快轴流CO2激光器，微波源采用家用微波炉用微波磁控管(9)，它的发射频率为2450MHz。总体结构如图1所示，其中采用4个T型微波放电腔(7)，不折迭。L型微波放电腔(4)和T型微波放电腔(7)的六个面为10mm厚的铝板，其外型尺寸为长320mm，宽80mm，高63mm，加工精度为0.1mm，在T型微波放电腔正中上面装上λ0/4点火装置(3)，在T型微波放电腔正中侧面开有同二螺钉微波阻抗匹配器(10)相配的窗口，在T微波型放电腔(7)的两个端面中间有同金属中空密封螺订(5)相配的螺孔M28×1mm，在L型微波放电腔(4)一端的λ0/4处，即在图3,c=λ0/4处装上λ0/4点火装置(3)，在这同一处的侧面开有同二螺钉微波阻抗匹配器(10)相配的窗口，在L型微波放电腔(4)的这一端面中间有同金属中空匹配螺环(2)相配的螺孔M32×1mm，另一端面中间有同金属中空密封螺订(5)相配的螺孔M28×1mm，在装进介质气体放电管(16)后，铝板之间用螺钉固定。其中在图2和图3中，T型微波放电腔(7)和L型微波放电腔(4)的横向尺寸为a，放电腔高为b，这里取a=60mm,b=43mm。在本实用新型中T型微波放电腔(7)和L型微波放电腔(4)的横向尺寸a略小于微波截止尺寸，一般情况a取值为0.48至0.495微波真空波长。
本实用新型的金属中空密封螺钉(5)，采用六方黄铜棒车制，其内径为24+0.2mm，外径带有M28×1mm螺纹，其中间有介质气体放电管(16)，这里为石英管，两端外径为24mm，其两端伸进铝水冷三通(6)或伸进激光输出窗架(17)或激光谐振腔全反镜(8)2至3mm。金属中空密封螺钉(5)一端拧在T型微波放电腔(7)或L型微波放电腔(4)的端面M28×1的螺孔上，在两端则拧在金属中空匹配螺环(2)上，令一端通过金属楔形垫圈(12)将硅密封圈(11)压紧在铝水冷三通(6)和介质气体放电管(16)上，在两端则压紧在激光输出窗架(17)和激光谐振腔全反镜(8)上。实现微波无泄漏和真空密封。实施例2．按照实施例1制做，在T型微波放电腔(7)的上面中间，在L型微波放电腔(4)的一端λ0/4处的上面中间，装有λ0/4点火装置(3)，该λ0/4点火装置(3)采用带真空法兰的铝管制成，其上法兰中间为中间带螺孔的十字型金属架，用真空卡箍同激光气体管道相连，保证激光气体快速流过和微波被截止，下端为一中空真空法兰，用螺钉同放电腔固定，同时压紧硅密封圈(15)在介质气体放电管(16)上，实现真空密封，其中带螺孔的金属导流球(14)通过两端带螺纹的金属棒固定在带有螺孔的十字型金属架其上，带螺纹的金属、石墨点火头(13)固定在金属导流球(14)上，金属、石墨点火头(13)的尖端尺寸为φ1×1mm。T型或L型介质气体放电管(16)为石英管，其进气口内径为D，金属导流球(14)直径为d，一般情况取d=0.618D，这里取D=30mm,d=18.5mm。实施例3．本实用新型是在实施例1,2，的基础上改进的L型微波放电腔(4)，其λ0/4点火装置(3)和微波注入都在放电腔的一端，其中的介质气体放电管(16)为不对称T型，激光气体从λ0/4点火装置(3)进入，从不对称T型介质气体放电管(16)的长端流出，如图3所示。其λ0/4点火装置(3)中心至放电腔内端面为c，一般取c为λ0/4，这里取c=3.06mm。在L型微波放电腔(4)有λ0/4点火装置(3)的端面和金属中空密封螺钉(5)之间，增加有双面螺纹的金属中空匹配螺环(2)，其内螺纹为M×28×1，同金属中空密封螺钉(5)相配，其外螺纹为M32×1，同L型微波放电腔(4)短端面上的螺纹相配，在金属中空密封螺钉(5)中有介质气体放电管(16)，这里为不对称T型石英管，其出口外径为24mm，其长端伸进铝水冷三通(6)2至3mm，其短端伸进水冷激光输出架(17)或激光谐振腔全反镜(8)2至3mm，金属中空匹配螺环(2)一端拧在L型微波放电腔(4)的短端面上，通过调节伸进放电腔的深度实现阻抗匹配。另一端通过金属中空密封螺钉(5)和金属楔形垫圈(12)将硅密封圈(11)压紧在介质气体放电管(16)和水冷激光输出架(17)上，在全反镜端，则压紧在介质气体放电管(16)和激光谐振腔全反镜(8)上。L型微波放电腔(4)的另一端面中间有M28×1mm的螺孔，金属中空密封螺钉(5)的一端拧在L型微波放电腔(4)M28×1mm的螺孔中，金属中空密封螺钉(5)的另一端通过金属楔形垫圈(12)将硅密封圈(11)压紧在铝水冷三通(6)介质气体放电管(16)上，实现真空密封和微波无泄漏。实施例4在实施例1,2,3的基础上，为提高激光功率和改进光束质量，必需增加放电腔的数量，为减小体积，采用π型折迭腔，一端为激光输出窗(1)和激光谐振腔全反镜(8)，与其相连分别为两个L型微波放电腔(4)，接着通过两个铝水冷三通(6)和两个T型微波放电腔(7)相连，接着是按要求装若干对铝水冷三通(6)和T型微波放电腔(7)，最后是两个L型微波放电腔(4)同两个两通水冷45度全反镜相连，这两个两通水冷45度全反镜通过一段中空真空管道相连，两通水冷45度全反镜的两个通孔成90度，镜片同光轴成45度，通孔直径为24+0.2mm，保证光路180度折迭。在最后的两个L型微波放电腔(4)有λ0/4点火装置(3)的端面和金属中空密封螺钉(5)之间，增加有双面螺纹的金属中空匹配螺环(2)，其内螺纹为M×28×1，同金属中空密封螺钉(5)相配，其外螺纹为M32×1，同L型放电腔(4)短端面上的螺纹相配，在金属中空密封螺钉(5)中的介质气体放电管(16)，这里为不对称T型石英管，其出口外径为24mm，长端伸进铝水冷三通(6)2至3mm，其短端伸进两通水冷4 5度全反镜2至3mm，金属中空匹配螺环(2)一端拧在L型微波放电腔(4)的短端面上，通过调节伸进放电腔的深度实现阻抗匹配。另一端通过金属中空密封螺钉(5)和金属楔形垫圈(12)将硅密封圈(11)压紧在介质气体放电管(16)和两通水冷45度全反镜上。其於按装过程同实施例1，2,3。
权利要求1．一种由激光输出窗(1)、λ0/4点火装置(3)、L型微波放电腔(4)、水冷三通(6)、T型微波放电腔(7)、微波磁控管(9)及激光谐振腔全反镜(8)组成的微波激励快轴流气体激光器，其特征在于还包括金属中空匹配螺环(2)，金属中空密封螺订(5)，L型和T型微波放电腔(4,7)的横向尺寸小于微波截止尺寸，在微波真空波长的0.48至0.495之间；激光输出窗(1)通过金属中空匹配螺环(2)同L型微波放电腔(4)连接，L型微波放电腔(4)另一端通过金属中空密封螺订(5)同铝水冷三通(6)连接，铝水冷三通(6)另一端通过金属中空密封螺订(5)同T型微波放电腔(7)连接，T型微波放电腔(7)另一端通过金属中空密封螺订(5)同第二个铝水冷三通(6)连接，最后一个T型微波放电腔(7)通过金属中空密封螺订(5)同L型微波放电腔(4)连接，L型微波放电腔(4)另一端通过金属中空匹配螺环(2)同激光谐振腔全反镜(8)相连，λ0/4点火装置(3)安装在L型和T型微波放电腔(4,7)上，微波磁控管(9)通过二螺钉微波阻抗匹配器(10)固定在L型和T型微波放电腔(4,7)侧面上。
2．按权利要求1所述的微波激励快轴流气体激光器，其特征在于所述的λ0/4点火装置(3)是在其进气管内的金属导流球(14)直径的0.618。并在金属导流球(14)的顶端有一金属、石墨点火头(13)。
3．按权利要求1或2所述的微波激励快轴流气体激光器，其特征在于还包括在T型放电腔(7)与铝水冷三通(6)采用金属中空密封螺钉(5)连接后再接一个或重复多个单元的T型微波放电腔(7)与铝水冷三通(6)。
4．按权利要求1或2或3所述的微波激励快轴流气体激光器，其特征在于微波放电腔间的连接采用水冷三通，在放电腔和水冷三通之间采用金属中空密封螺订(5)，其一端拧在放电腔上，另一端通过金属楔形垫圈(12)将硅密封圈(15)紧压在水冷三通上。
专利摘要本实用新型涉及微波激励快轴流气体激光器。它由激光腔镜固定在L放电腔一端,另一端固定水冷三通,水冷三通另一端与一端连第二个水冷三通的T型腔连接,第二个水冷三通另端与一端固定激光全反镜的L型放电腔另一端固定,并在L,T型腔上中间处安有λ
文档编号H01S3/00GK2309646SQ9722553
公开日1999年3月3日 申请日期1997年9月1日 优先权日1997年9月1日
发明者张泽渤, 赵玉英 申请人:中国科学院物理研究所