專利名稱：一種氣體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于激光器技術(shù)，特別是涉及一種氣體激光器，一種主要應(yīng)用于激光 加工行業(yè)的板條狀放電區(qū)域的氣體激光器。
背景技術(shù)：
目前，中功率(數(shù)百瓦 千瓦)的激光器市場(chǎng)潛力巨大，到現(xiàn)在為止，還沒有用戶 非常滿意的實(shí)用產(chǎn)品，為了獲得中高功率的激光輸出，目前，國(guó)內(nèi)的一種方案是加長(zhǎng)封離式 玻璃管激光器放電區(qū)，由于放電區(qū)過長(zhǎng)，導(dǎo)致激勵(lì)電壓過高，運(yùn)輸、安裝、使用等不方便；第 二種方案是采用多個(gè)放電管的折疊光路結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增加了光學(xué)鏡片，也增加了系統(tǒng)的 復(fù)雜性，降低了光路的穩(wěn)定性和激光輸出的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)于大功率激光器，可以采用 快速流動(dòng)氣體激勵(lì)，做成橫流或軸流激光器，增加了氣體流動(dòng)與冷卻系統(tǒng)，其結(jié)果是體積龐 大，重量重，運(yùn)行噪聲大，耗氣量大，運(yùn)行成本高。為了解決這種現(xiàn)狀，國(guó)外設(shè)計(jì)了射頻激勵(lì) 擴(kuò)散冷卻板條激光器，放電電極為帶水冷通道的金屬電極，電極之間間距小，是光路傳輸?shù)?一個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所以電極的加工、安裝非常復(fù)雜，放電室為金屬結(jié)構(gòu)的密封容器，電源是射 頻電源，激光器輸出光束為條狀光斑，光斑需要整形才能使用，這種激光器性能好，壽命長(zhǎng)， 但是其技術(shù)難度高，設(shè)備采購(gòu)及使用維護(hù)成本高，對(duì)于相同功率的100瓦激光器，射頻激勵(lì) 板條激光器的價(jià)格是封離式玻璃管激光器價(jià)格的數(shù)10倍，所以難以在我國(guó)廣泛的推廣應(yīng) 用。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于結(jié)合封離式玻璃管激光器和射頻激勵(lì)板條激光器各自的 優(yōu)點(diǎn)，并克服它們各自的不足，提供一種全新的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的氣體激光器。本實(shí)用新型提供的一種氣體激光器，包括放電室、放電電極、水冷通道和儲(chǔ)氣室， 水冷通道分布在所述放電室外壁上，儲(chǔ)氣室位于水冷通道外，所述放電室與儲(chǔ)氣室之間通 過回氣管相通，其特征在于放電室為由放電腔體、尾鏡端條狀反射鏡、輸出端條狀反射鏡 和全透輸出鏡共同構(gòu)成一個(gè)密封的腔室，放電腔體由非金屬材料制成的板條狀空心結(jié)構(gòu)， 尾鏡端條狀反射鏡和輸出端條狀反射鏡分別位于放電腔體的前、后端外，輸出端條狀反射 鏡的中間或一側(cè)留有通光孔，全透輸出鏡位于通光孔處，并作為激光輸出窗口 ；放電電極位 于放電腔體的前、后兩端內(nèi)，或者左、右兩側(cè)內(nèi)。本實(shí)用新型提供的激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，按照板條狀放電區(qū)面積的不同，可以獲得 100 1000W甚至更高的功率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)放電室是由玻璃或陶瓷等非金屬組成板條狀密封放電室，其功率的增大是通 過增大橫向放電寬度來實(shí)現(xiàn)，與相同長(zhǎng)度的普通封離式二氧化碳激光器相比，輸出功率可 提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍，與加長(zhǎng)型玻璃管激光器或折疊型玻璃管激光器相比，結(jié)構(gòu)更加緊湊， 體積更加小巧，諧振腔光學(xué)鏡片數(shù)量少，從而可保證光路的穩(wěn)定性和激光輸出的穩(wěn)定性和 可靠性，節(jié)約了成本。[0007](2)本實(shí)用新型采用的電極是普通玻璃管激光器的電極材料，而射頻激勵(lì)擴(kuò)散冷 卻板條激光器的放電電極為帶水冷通道的金屬電極，電極之間間距小，是光路傳輸?shù)囊粋€(gè) 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，電極的加工精度要求和安裝精度要求都非常高，所以本實(shí)用新型采用的電極結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，成本低廉。(3)本實(shí)用新型采用的放電電極可以位于放電室的前、后兩端內(nèi)，或者左、右兩側(cè) 內(nèi)，電極可以設(shè)計(jì)成空心矩形電極，鋸齒狀空心矩形電極，分段片狀電極、多針狀電極、板狀 電極、多針電極、多孔板電極、多針板電極等結(jié)構(gòu)，從而保證大面積的均勻穩(wěn)定放電。(4)射頻激勵(lì)擴(kuò)散冷卻板條激光器需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度高，價(jià)格昂貴的射頻電 源，而本實(shí)用新型的激光器所需要的電源可以采用普通的直流高壓電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。(5)射頻激勵(lì)擴(kuò)散冷卻板條激光器采用的條狀非穩(wěn)波導(dǎo)混合腔，即在一個(gè)方向是 非穩(wěn)腔，另外一個(gè)方向是波導(dǎo)腔，而本實(shí)用新型采用是條狀非穩(wěn)腔，不存在波導(dǎo)損耗和波導(dǎo) 耦合損耗。(6)射頻激勵(lì)擴(kuò)散冷卻板條激光器的輸出光束為條狀光斑，光斑需要整形才能使 用，而本實(shí)用新型的輸出光束可以為近似方形光束，不需要復(fù)雜的整形光路結(jié)構(gòu)，可以直接 應(yīng)用。(7)諧振腔鏡片都附有水冷裝置，而不是采用普通的方法——鏡片和放電室內(nèi)的 氣體一起被冷卻，這樣的設(shè)計(jì)在保證輸出大功率激光的前提下同時(shí)給鏡片以良好的冷卻。(8)放電室外面的水冷通道是一種外并聯(lián)內(nèi)串聯(lián)組合的水冷通道，保證水流更加 通暢，不存在水流死角，使放電氣體的冷卻更加充分，從而很好地保證放電的穩(wěn)定性和激光 輸出的穩(wěn)定性。(9)儲(chǔ)氣室備留充排氣接頭，方便多次沖排氣，使激光器可以反復(fù)利用，而不象普 通的封離式玻璃管激光器那樣用一次就報(bào)廢，從而提高激光器的使用壽命。

圖1為氣體激光器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2. 1,2. 2,2. 3,2. 4分別為一種放電室?guī)追N形狀的橫截面。圖3. 1,3. 2,3. 3,3. 4為幾種縱向放電的放電電極結(jié)構(gòu)。圖4. 1 4. 10為幾種橫向放電的電極結(jié)構(gòu)示意圖。圖5. 1為凹凸側(cè)面耦合輸出的非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)示意圖。圖5. 2為凹凸中間耦合輸出的非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為水冷通道結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1所示，本實(shí)用新型提供的氣體激光器，包括放電腔體1、放電電極2、水冷通 道3、儲(chǔ)氣室4、尾鏡端條狀反射鏡8，輸出端條狀反射鏡9和全透輸出鏡10。放電腔體1由玻璃或陶瓷等非金屬制作，所述放電電極2位于放電腔體1內(nèi)的前、 后兩端，或者左、右兩側(cè)，與電極接線5相連，電極接線5各自與外接的電源相連，該電源可 以采用普通的直流電源，而不必使用射頻電源。水冷通道3分布在放電腔體1外側(cè)，可以同 時(shí)冷卻放電電極2所在區(qū)域；水冷通道3外設(shè)有儲(chǔ)氣室4，儲(chǔ)氣室4可以與放電腔體1和水
4冷通道3設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)，也可以設(shè)計(jì)成分體結(jié)構(gòu)；儲(chǔ)氣室4上備留充排氣接頭12，方便多 次充排氣，提高激光器的使用壽命；儲(chǔ)氣室4通過回氣管6與放電腔體1相通，回氣管可以 設(shè)置多根；尾鏡端條狀反射鏡8和輸出端條狀反射鏡9分別位于放電腔體1的前、后端外， 輸出端條狀反射鏡9的中間或一側(cè)留有通光孔(孔的形狀可以是矩形、方形或圓形等)，全 透輸出鏡10位于通光孔處，并作為激光輸出窗口。尾鏡端條狀反射鏡8、輸出端條狀反射鏡 9和全透輸出鏡10與放電腔體1共同構(gòu)成一個(gè)密封的放電室。條狀反射鏡8，條狀反射鏡9和全透輸出鏡10組成激光諧振腔。每個(gè)鏡片都帶有 水冷套11 ；水冷通道3和水冷套11都有進(jìn)出水口 7。根據(jù)激光諧振腔的需要，放電腔體1的具體形狀可以是多種形狀，可以是板條狀 或類似的板條狀，圖2舉例了其中幾種，如矩形截面板條狀結(jié)構(gòu)(圖2. 1)，中間窄、兩側(cè)寬的 發(fā)散狀截面類板條結(jié)構(gòu)(圖2. 2)，中間寬、兩側(cè)窄的紡錘狀截面類板條結(jié)構(gòu)(圖2. 3)，一側(cè) 窄、另外一側(cè)寬的梯形截面類板條結(jié)構(gòu)(圖2. 4)；除此以外，放電腔體1還可以是截面為非 圓形的其它類似形狀。放電電極2位于放電腔體1的前、后兩端內(nèi)，或者左、右兩側(cè)內(nèi)。當(dāng)放電電極2位 于放電腔體1的前、后兩端內(nèi)，放電方向與出光方向一致，為縱向放電，如圖1所示。為了提 高板條狀密封放電腔體1的放電均勻性，放電電極2可以設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)，如圖3所示，空 心矩形電極(圖3. 1)，鋸齒狀空心矩形電極(圖3. 2)，分段片狀電極(圖3. 3)、多針狀電極 (圖3. 4)等，以及它們的適當(dāng)?shù)膹澢?、折疊等結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型所需的兩個(gè)放電電極可以由 上述電極的相同結(jié)構(gòu)以及不同結(jié)構(gòu)的各種組合構(gòu)成。如采用分段片狀電極和多針狀電極， 則需要采用多個(gè)電極引線。當(dāng)放電電極2位于放電腔體1的左、右兩側(cè)內(nèi)，放電方向與出光方向垂直，為橫向 放電，如4所示。具體電極結(jié)構(gòu)可以采用板狀電極14(圖4. 1、圖4. 2)、多針電極15(圖 4. 3、圖4. 4)、多孔板電極16 (圖4. 5、圖4. 6)、多針板電極17 (圖4. 7、圖4. 8)、空心矩形電 極18 (圖4. 9、圖4. 10)等結(jié)構(gòu)以及它們的各種組合結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型中，放電電極2采用的材料可以為普通玻璃管激光器的電極材料，不 需要射頻激勵(lì)擴(kuò)散冷卻板條激光器必須的帶水冷通道的表面超精加工的金屬電極。如采用 分段片狀電極和多針狀電極，則需要采用多個(gè)電極引線。本實(shí)用新型采用的諧振腔具體可以設(shè)計(jì)成為側(cè)面耦合輸出的雙凹非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu) (圖1)、側(cè)面耦合輸出的凹凸非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)(圖5. 1)和中間側(cè)面耦合輸出的凹凸非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu) (圖5. 2)等。當(dāng)本實(shí)用新型采用的諧振腔為圖1所示的雙凹側(cè)面耦合輸出的非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)時(shí)，尾 鏡端條狀反射鏡8為條狀凹面反射鏡，輸出端條狀反射鏡9為條狀凹面反射鏡，全透輸出鏡 10位于輸出端條狀反射鏡9的一側(cè)，尾鏡端條狀反射鏡8的曲率半徑絕對(duì)值與輸出端條狀 反射鏡9的曲率半徑絕對(duì)值之和為諧振腔腔長(zhǎng)的兩倍。當(dāng)本實(shí)用新型采用的諧振腔為圖5. 1所示的側(cè)面耦合輸出的凹凸非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)時(shí)， 尾鏡端條狀反射鏡8為條狀凹面反射鏡，輸出端條狀反射鏡9為條狀凸面反射鏡，全透輸出 鏡10位于輸出端條狀反射鏡9的一側(cè)，尾鏡端條狀反射鏡8的曲率半徑絕對(duì)值減去輸出端 條狀反射鏡9的曲率半徑絕對(duì)值后所得的值為諧振腔腔長(zhǎng)的兩倍。當(dāng)本實(shí)用新型采用的諧振腔為圖5. 2所示的中間耦合輸出的凹凸非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)時(shí)，尾鏡端條狀反射鏡8為條狀凹面反射鏡，輸出端條狀反射鏡9為條狀凸面反射鏡，全透輸出 鏡10位于輸出端條狀反射鏡9的中間，尾鏡端條狀反射鏡8的曲率半徑絕對(duì)值減去輸出端 條狀反射鏡9的曲率半徑絕對(duì)值后所得的值為諧振腔腔長(zhǎng)的兩倍。本實(shí)用新型采用的尾鏡端條狀反射鏡8和輸出端條狀反射鏡9的凹面或凸面可以 是球面，也可以是柱面。每個(gè)鏡片都帶有水冷套11，且都有進(jìn)出水口 7。本實(shí)用新型采用的諧振腔為條狀非穩(wěn)腔，一個(gè)方向是非穩(wěn)腔，另外一個(gè)方向由于 間距較大，光束是自由傳輸，而不像擴(kuò)散冷卻板條激光器采用的非穩(wěn)波導(dǎo)混合腔，不存在波 導(dǎo)損耗和波導(dǎo)耦合損耗，放電室不需要設(shè)計(jì)成為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所以放電室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求低。 而本實(shí)用新型的輸出光束可以為近似方形光束或圓形光束，不需要復(fù)雜的整形光路結(jié)構(gòu)， 可以直接應(yīng)用。如圖6所示，為了提高放電室的冷卻效果，水冷通道3設(shè)計(jì)成了截面積近似相等的 串聯(lián)水道，使水流暢通并不留死角。如果放電室需要冷卻的面積較大時(shí)，可以設(shè)計(jì)多個(gè)串聯(lián) 水道，每個(gè)串聯(lián)水道并聯(lián)使用或獨(dú)立供水。本實(shí)用新型也可以使用整體冷卻的方式。以上所述為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，但本實(shí)用新型不應(yīng)該局限于該實(shí)施例 和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本實(shí)用新型所公開的精神下完成的等效或修改，都 落入本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求一種氣體激光器，包括放電室、放電電極(2)、水冷通道(3)和儲(chǔ)氣室(4)，水冷通道(3)分布在所述放電室外壁上，儲(chǔ)氣室(4)位于水冷通道(3)外，所述放電室與儲(chǔ)氣室(4)之間通過回氣管(6)相通，其特征在于放電室為由放電腔體(1)、尾鏡端條狀反射鏡(8)、輸出端條狀反射鏡(9)和全透輸出鏡(10)共同構(gòu)成一個(gè)密封的腔室，放電腔體(1)由非金屬材料制成的板條狀空心結(jié)構(gòu)，尾鏡端條狀反射鏡(8)和輸出端條狀反射鏡(9)分別位于放電腔體(1)的前、后端外，輸出端條狀反射鏡(9)的中間或一側(cè)留有通光孔，全透輸出鏡(10)位于通光孔處，并作為激光輸出窗口；放電電極(2)位于放電腔體(1)的前、后兩端內(nèi)，或者左、右兩側(cè)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體激光器，其特征在于放電腔體(1)為板條狀，其截面為 矩形，或者中間窄、兩側(cè)寬的發(fā)散狀，或者中間寬、兩側(cè)窄的紡錘狀，或者一側(cè)窄、另外一側(cè) 寬的梯形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體激光器，其特征在于當(dāng)放電電極(2)位于放電腔體(1) 的前、后兩端內(nèi)時(shí)，放電電極(2)為空心矩形電極、鋸齒狀空心矩形電極、分段片狀電極和 多針狀電極中任一種或任幾種的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體激光器，其特征在于當(dāng)放電電極(2)位于放電腔體(1) 的左、右兩側(cè)內(nèi)時(shí)，放電電極⑵為板狀電極、多針電極、多孔板電極、多針板電極(17)和空 心矩形電極(18)中任一種或任幾種的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的氣體激光器，其特征在于放電電極(2)為彎曲或折疊狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體激光器，其特征在于尾鏡端條狀反射鏡(8)為條狀凹 面反射鏡，輸出端條狀反射鏡(9)為條狀凹面反射鏡，全透輸出鏡(10)位于輸出端條狀反 射鏡(9)的一側(cè)。尾鏡端條狀反射鏡(8)的曲率半徑絕對(duì)值與輸出端條狀反射鏡(9)的曲 率半徑絕對(duì)值之和為諧振腔腔長(zhǎng)的兩倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體激光器，其特征在于尾鏡端條狀反射鏡(8)為條狀凹 面反射鏡，輸出端條狀反射鏡(9)為條狀凸面反射鏡，全透輸出鏡(10)位于輸出端條狀反 射鏡(9)的一側(cè)，尾鏡端條狀反射鏡(8)的曲率半徑絕對(duì)值減去輸出端條狀反射鏡(9)的 曲率半徑絕對(duì)值后所得的值為諧振腔腔長(zhǎng)的兩倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體激光器，其特征在于尾鏡端條狀反射鏡(8)為條狀凹 面反射鏡，輸出端條狀反射鏡(9)為條狀凸面反射鏡，全透輸出鏡(10)位于輸出端條狀反 射鏡(9)的中間，尾鏡端條狀反射鏡(8)的曲率半徑絕對(duì)值減去輸出端條狀反射鏡(9)的 曲率半徑絕對(duì)值后所得的值為諧振腔腔長(zhǎng)的兩倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體激光器，其特征在于水冷通道(3)為一條或多條截面 積相等或近似相等的串聯(lián)水道。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種氣體激光器，包括放電室、放電電極、水冷通道和儲(chǔ)氣室，水冷通道分布在放電室外壁上，儲(chǔ)氣室位于水冷通道外，所述放電室與儲(chǔ)氣室之間通過回氣管相通，放電室為由放電腔體、尾鏡端條狀反射鏡、輸出端條狀反射鏡和全透輸出鏡共同構(gòu)成一個(gè)密封的腔室，放電腔體由非金屬材料制成的板條狀空心結(jié)構(gòu)，尾鏡端、輸出端條狀反射鏡分別位于放電腔體前、后端外，輸出端條狀反射鏡的中間或一側(cè)留有通光孔，全透輸出鏡位于通光孔處，并作為激光輸出窗口；放電電極位于放電腔體的前、后兩端內(nèi)，或者左、右兩側(cè)內(nèi)。該激光器體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻系統(tǒng)的冷卻效果好，輸出功率高，激光光束穩(wěn)定和模式好，可以應(yīng)用于激光加工行業(yè)。
文檔編號(hào)H01S3/034GK201667485SQ20102011943
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者唐霞輝, 張本, 彭浩, 李波, 柳娟, 王度, 秦應(yīng)雄, 羅欽, 肖瑜, 鄧前松 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)