陶瓷板條、自由空間和波導(dǎo)激光器的制造方法
【專利摘要】一種激光器(10)可包括：陶瓷主體(12)，其包含第一壁(32)和與所述第一壁(32)相對(duì)的第二壁(32)；第一反射鏡(16)，其定位在所述第一和第二壁(32)的第一末端處；第二反射鏡(18)，其定位在所述第一和第二壁(32)的與所述第一末端相對(duì)的第二末端處，所述第一和第二壁(32)和所述第一和第二反射鏡(16、18)在所述陶瓷主體(12)內(nèi)界定板條激光器空腔(14)。所述激光器(10)可進(jìn)一步包括：第一電極(24)，其定位在所述激光器空腔(14)外部，并且鄰近于所述陶瓷主體(12)的所述第一壁(32)，以及第二電極(26)，其定位在所述激光器空腔(14)外部，并且鄰近于所述陶瓷主體(12)的所述第二壁(32)，其中當(dāng)將激發(fā)信號(hào)施加到所述第一和第二電極(24、26)時(shí)，安置在所述激光器空腔(14)中的激光器氣體被激發(fā)。
【專利說(shuō)明】陶瓷板條、自由空間和波導(dǎo)激光器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)案的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)案主張2011年2月24日申請(qǐng)的第13/034，205號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)，所述申請(qǐng)案的整個(gè)揭示內(nèi)容以引用方式并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明大體上涉及激光器，且更確切地說(shuō)涉及單片陶瓷芯自由空間板條和波導(dǎo)板條激光器。
【背景技術(shù)】
[0004]二氧化碳(CO2)激光器通常在約10.6 y m的波長(zhǎng)下的紅外線光譜中產(chǎn)生激光，并且可以用于許多商業(yè)、醫(yī)療和軍事應(yīng)用(舉例來(lái)說(shuō)，包含雕刻、切割等)。根據(jù)一種二氧化碳激光器的常規(guī)設(shè)計(jì)，產(chǎn)生、限制和冷卻形成于鋁電極之間的等離子體的鋁電極容納在真空封圍物內(nèi)，也由鋁構(gòu)成。這種設(shè)計(jì)需要諧振器線圈在真空密閉的充有氣體的封圍物中，并且一股因?yàn)橛性S多部件而比較復(fù)雜。這種設(shè)計(jì)還必須要有一個(gè)或一個(gè)以上電饋通件以便連接到電極和向等離子體提供電力，同時(shí)維持真空密封。這些饋通件帶來(lái)了激光器中的一個(gè)弱點(diǎn)，因?yàn)檫@些饋通件往往會(huì)變燙，這歸因于射頻(RF)的集膚效應(yīng)。另一種二氧化碳激光器的已知設(shè)計(jì)是采用陶瓷鏜孔，這個(gè)陶瓷鏜孔充當(dāng)光波導(dǎo)和/或激光輻射的自由空間傳播路徑，并且還限制激發(fā)二氧化碳?xì)怏w的放電。在任一情況下，因?yàn)楣馐诓煌潭壬吓c鏜孔壁相互作用(取決于鏜孔大小)，所以鏜孔的形狀和光學(xué)飾面對(duì)于激光器的性能來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。必須通過(guò)將激光器空腔折疊成多個(gè)串行光束路徑以實(shí)現(xiàn)較高電力輸出來(lái)增加增益長(zhǎng)度，但是用于適應(yīng)所需要的這些多個(gè)路徑和多個(gè)反射鏡的陶瓷研磨的復(fù)雜度變得成問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明可包括所附權(quán)利要求書中陳述的特征中的一者或一者以上和/或以下特征中的一者或一者以上及其組合。
[0006]在一個(gè)實(shí)施例中，一種激光器可包括:陶瓷主體，其包含第一壁和與所述第一壁相對(duì)的第二壁；第一反射鏡，其定位在所述第一和第二壁的第一末端處；第二反射鏡，其定位在第一和第二壁的與所述第一末端相對(duì)的第二末端處，所述第一和第二壁和所述第一和第二反射鏡在所述陶瓷主體內(nèi)界定板條激光器空腔。所述激光器可進(jìn)一步包括:第一電極，其定位在所述激光器空腔外部，并且鄰近于所述陶瓷主體的所述第一壁；以及第二電極，其定位在所述激光器空腔外部，并且鄰近于所述陶瓷主體的所述第二壁，其中當(dāng)將激發(fā)信號(hào)施加到所述第一和第二電極時(shí)，安置在所述板條激光器空腔中的激光器氣體被激發(fā)。在一些實(shí)施例中，所述第一和第二反射鏡可在所述板條激光器空腔中形成自由空間多重折疊諧振器。在其它實(shí)施例中，所述第一和第二反射鏡可在所述板條激光器空腔形成自由空間不穩(wěn)定諧振器。在另外其它實(shí)施例中，所述第一和第二反射鏡可在所述板條激光器空腔中形成波導(dǎo)不穩(wěn)定諧振器。[0007]所述板條激光器空腔可沿在所述第一和第二反射鏡之間延伸的縱向軸線具有大體上矩形的橫截面。所述板條激光器空腔的第一橫向尺寸可能至少是所述板條激光器空腔的第二橫向尺寸的兩倍大，所述第一橫向尺寸平行于所述陶瓷主體的所述第一和第二壁，并且所述第二橫向尺寸垂直于所述陶瓷主體的所述第一和第二壁。所述板條激光器空腔的所述第二橫向尺寸可至少與通過(guò)所述第一和第二反射鏡形成的自由空間諧振器的基諧模式的直徑一樣大?；蛘?，所述板條激光器空腔的所述第二橫向尺寸可以充當(dāng)波導(dǎo)，并且具有大約小于或等于大約0.3的菲涅耳數(shù)。
[0008]所述陶瓷主體可包括氧化鋁。所述第一和第二反射鏡中的至少一者至少部分地上覆于在所述陶瓷主體中形成的埋頭孔上。所述第一反射鏡可以通過(guò)耦合到所述陶瓷主體的第一反射鏡支架來(lái)支撐，所述第二反射鏡通過(guò)耦合到所述陶瓷主體的第二反射鏡支架來(lái)支撐，且所述陶瓷主體和所述第一和第二反射鏡支架可形成容納所述激光器氣體的氣密封圍物。
[0009]所述陶瓷主體可進(jìn)一步包含形成于其中的第一氣體儲(chǔ)集器，所述第一氣體儲(chǔ)集器經(jīng)由在其間延伸的一個(gè)或一個(gè)以上氣體連通狹槽與所述板條激光器空腔氣體連通。所述一個(gè)或一個(gè)以上氣體連通狹槽可沿所述板條激光器空腔的在所述陶瓷主體的所述第一和第二壁之間延伸的一側(cè)布置。所述一個(gè)或一個(gè)以上氣體連通狹槽可占據(jù)所述板條激光器空腔的所述側(cè)的區(qū)域的至少一半。所述陶瓷主體可進(jìn)一步包含形成于其中的第二氣體儲(chǔ)集器，所述第二氣體儲(chǔ)集器經(jīng)由在其間延伸的一個(gè)或一個(gè)以上氣體連通狹槽與所述板條激光器空腔氣體連通。所述第一和第二氣體儲(chǔ)集器可定位在所述板條激光器空腔的相對(duì)側(cè)上。
[0010]所述第一電極可至少部分地收納在形成于所述陶瓷主體的外部表面中的第一狹槽中，并且所述第二電極可至少部分地收納在形成于所述陶瓷主體的外部表面中的第二狹槽中。所述第一和第二電極可經(jīng)定位以使得當(dāng)將所述激發(fā)信號(hào)施加到所述第一和第二電極時(shí)，所述激光器氣體的鄰近于所述第一和第二反射鏡的部分不被激發(fā)。
[0011]所述激光器可進(jìn)一步包括熱耦合到所述第一電極的第一散熱片。所述第一散熱片可固定在離所述第一電極預(yù)定距離處，與所述陶瓷主體的溫度無(wú)關(guān)。所述激光器可進(jìn)一步包括熱耦合到所述第二電極的第二散熱片，和連接所述第一和第二散熱片的隔片。所述隔片可能是由一種材料形成，所述材料具有基本上與所述陶瓷主體的熱膨脹系數(shù)和所述第一和第二電極的熱膨脹系數(shù)兩者匹配的熱膨脹系數(shù)。
[0012]所述激光器可進(jìn)一步包括用于激勵(lì)所述第一和第二電極的RF電力電路。所述RF電力電路可包含鄰近于所述陶瓷主體而定位并且并聯(lián)地電耦合在所述第一和第二電極之間的多個(gè)諧振線圈。
[0013]所述第一和第二反射鏡可形成不穩(wěn)定負(fù)支諧振器。所述第一和第二反射鏡可形成不穩(wěn)定正支諧振器。所述第一和第二反射鏡可形成穩(wěn)定諧振器，其經(jīng)配置以具有不超過(guò)大約20%的光束重疊。所述第一和第二反射鏡中的至少一者可包括分段反射鏡，所述分段反射鏡具有以不同的角度定向的多個(gè)平面反射表面，使得所述光束重疊為大約0%。
[0014]在另一實(shí)施例中，一種激光器可包括:氣密電介質(zhì)封圍物，其包含激光器氣體，所述氣密電介質(zhì)封圍物在其中界定自由空間板條激光器空腔；多個(gè)反射鏡，其在所述自由空間板條激光器空腔中形成穩(wěn)定多重折疊諧振器；以及多個(gè)電極，其定位在所述氣密電介質(zhì)封圍物外部，使得當(dāng)將激發(fā)信號(hào)施加到所述多個(gè)電極時(shí)，容納在所述自由空間板條激光器空腔中的所述激光器氣體被激發(fā)。
[0015]在又一實(shí)施例中，一種激光器可包括:氣密電介質(zhì)封圍物，其容納激光器氣體，所述氣密電介質(zhì)封圍物在其中界定自由空間板條激光器空腔；多個(gè)反射鏡，其在所述自由空間板條激光器空腔中形成不穩(wěn)定諧振器；以及多個(gè)電極，其定位在所述氣密電介質(zhì)封圍物外部，使得當(dāng)將激發(fā)信號(hào)施加到所述多個(gè)電極時(shí)，容納在所述自由空間板條激光器空腔中的所述激光器氣體被激發(fā)。在一些實(shí)施例中，所述多個(gè)反射鏡可形成不穩(wěn)定負(fù)支諧振器。在其它實(shí)施例中，所述多個(gè)反射鏡可形成不穩(wěn)定正支諧振器。
[0016]在又一實(shí)施例中，一種激光器可包括:氣密電介質(zhì)封圍物，其包含激光器氣體，所述氣密電介質(zhì)封圍物在其中界定波導(dǎo)板條激光器空腔；多個(gè)反射鏡，其在所述波導(dǎo)板條激光器空腔中形成不穩(wěn)定諧振器；以及多個(gè)電極，其定位在所述氣密電介質(zhì)封圍物外部，使得當(dāng)將激發(fā)信號(hào)施加到所述多個(gè)電極時(shí)，容納在所述波導(dǎo)板條激光器空腔中的所述激光器氣體被激發(fā)。在一些實(shí)施例中，所述多個(gè)反射鏡可形成不穩(wěn)定負(fù)支諧振器。在其它實(shí)施例中，所述多個(gè)反射鏡可形成不穩(wěn)定正支諧振器。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是根據(jù)一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例的陶瓷自由空間多重折疊激光器的若干組件的分解視圖。
[0018]圖2是可以與圖1的激光器一起使用的自由空間諧振器的一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例的圖。
[0019]圖3是可以與圖1的激光器一起使用的自由空間或波導(dǎo)諧振器的一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例的圖。
[0020]圖4是可以與圖1的激光器一起使用的自由空間或波導(dǎo)諧振器的另一說(shuō)明性實(shí)施例的圖。
[0021]圖5是根據(jù)一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例的經(jīng)組裝的激光器的示意圖。
[0022]圖6是圖5的激光器的若干組件的部分分解視圖。
[0023]圖7是沿線7— 7截取的圖5的激光器的若干組件的橫截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了促進(jìn)理解本發(fā)明的原理，現(xiàn)在將參考附圖中展示的說(shuō)明性實(shí)施例，并且將使用特定的語(yǔ)言來(lái)描述這些說(shuō)明性實(shí)施例。
[0025]圖1和5-7的圖中展示了根據(jù)本發(fā)明的激光器10的一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例。激光器10被說(shuō)明性地體現(xiàn)為陶瓷自由空間多重折疊激光器。雖然出于說(shuō)明的目的在圖1和5-7中展示了自由空間多重折疊激光器，但是本發(fā)明還預(yù)期激光器10體現(xiàn)為陶瓷自由空間不穩(wěn)定激光器或陶瓷波導(dǎo)不穩(wěn)定激光器。激光器10大體上包含陶瓷主體12，陶瓷主體12界定一板條激光器空腔14、多個(gè)反射鏡16、18、20(其形成板條激光器空腔14中的諧振器22)和多個(gè)電極24、26，所述電極定位在陶瓷主體12外部(并且因此在板條激光器空腔14外部)。根據(jù)本發(fā)明，板條激光器空腔14可以是自由空間(即，非波導(dǎo))板條激光器空腔或波導(dǎo)板條激光器空腔?？梢詤⒖醇す馄?0的菲涅耳數(shù)來(lái)理解自由空間板條激光器空腔和波導(dǎo)板條激光器空腔兩者?？梢源篌w上通過(guò)公式NF=a2/(XL)來(lái)給定激光器的菲涅耳數(shù)，其中a是諧振器孔徑的一半，\是激光束的波長(zhǎng)，并且L是諧振器長(zhǎng)度。小于大約0.3的菲涅耳數(shù)可以大體上界定真實(shí)的波導(dǎo)激光器空腔。大于大約3的菲涅耳數(shù)可以大體上界定自由空間激光器空腔，其中在光束與激光器空腔壁之間存在極少的相互作用或沒(méi)有相互作用。大約0.3與大約1.5之間的菲涅耳數(shù)描述了在光束與激光器空腔壁之間的不同程度的相互作用的準(zhǔn)自由空間激光器空腔。根據(jù)所述說(shuō)明性實(shí)施例，激光器10可以具有大于大約I的菲涅耳數(shù)。在其它實(shí)施例中，激光器10可以具有小于大約0.3的菲涅耳數(shù)。
[0026]現(xiàn)在參看圖1，激光器10的說(shuō)明性實(shí)施例包含一陶瓷主體12、一對(duì)電極24、26和一對(duì)反射鏡支架28、30。激光器10的陶瓷主體12被說(shuō)明性地體現(xiàn)為由兩個(gè)鏡像組件形成:左側(cè)組件12a和右側(cè)組件12b。應(yīng)了解，在其它實(shí)施例中，陶瓷主體12可以形成一體式組件或可以包括三個(gè)或三個(gè)以上的組件。在一些實(shí)施例中，陶瓷主體12還可以是非對(duì)稱的。在說(shuō)明性實(shí)施例中，陶瓷主體12包括純度在95%與99.9%之間的氧化鋁(Al2O3)。在其它實(shí)施例中，陶瓷主體12可以由氧化鈹(BeO)、氮化鋁(AlN)、某些類型的玻璃和/或玻璃陶瓷或任何具有類似電機(jī)械和熱性質(zhì)的材料，或其組合形成。還預(yù)期陶瓷主體12可以由其它合適的電介質(zhì)材料(包括非陶瓷)形成。
[0027]在圖1的說(shuō)明性實(shí)施例中，陶瓷主體12的內(nèi)部界定具有大體上矩形的橫截面的自由空間板條激光器空腔14。板條激光器空腔14部分上是由陶瓷主體12的兩個(gè)相對(duì)的壁32和由兩個(gè)相對(duì)的壁34(參見圖7)界定。相對(duì)的壁34可能大多數(shù)缺失，只有偶然的支撐件，或者可包含較大數(shù)目的支撐件(如圖1中所示)。在說(shuō)明性實(shí)施例中，平行于壁32的板條激光器空腔14的尺寸超過(guò)平行于壁34的尺寸的兩倍。在說(shuō)明性實(shí)施例中，所述兩個(gè)尺寸(沿壁32和沿壁34)還至少與諧振器22的基諧模式的直徑一樣大，從而使得壁32、34實(shí)質(zhì)上不干擾行進(jìn)通過(guò)板條激光器空腔14的激光器光束(即，自由空間諧振器)。在波導(dǎo)諧振器的替代實(shí)施例中，壁32、34可以在波導(dǎo)方向上分開既定光束寬度的大約1.4倍。
[0028]在圖1和7中可以看到，陶瓷主體12的內(nèi)部還形成為包含一對(duì)氣體儲(chǔ)集器36、38。氣體儲(chǔ)集器36、38經(jīng)由在陶瓷主體12的相對(duì)的壁34中形成的多個(gè)氣體連通狹槽40或敞開區(qū)域與板條激光器空腔14氣體(即，流體)連通。在相對(duì)的壁34中形成的氣體連通狹槽40的大小和數(shù)目可以在僅一個(gè)較大狹槽40 ( S卩，幾乎開放的壁34)與許多較小狹槽40之間變化。在說(shuō)明性實(shí)施例中，氣體儲(chǔ)集器36中的一者鄰近于一個(gè)壁34，而另一氣體儲(chǔ)集器38鄰近于相對(duì)的壁34。陶瓷主體12還可形成為包含埋頭孔42，如圖1和6中所示。埋頭孔42位于板條激光器空腔14的末端，并且界定從反射鏡16、18、20后退的板條激光器空腔14的凹入邊緣入口。這種后退有助于過(guò)濾掉較高階模式結(jié)構(gòu)。因?yàn)椴缓闲枰?，所以在埋頭孔42的凹入入口邊緣上撇去了快速發(fā)散模式，所述快速發(fā)散模式與所要的基諧模式競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)率降低。在其它實(shí)施例中，圖1和6中說(shuō)明性地展示的埋頭孔42可采用其它形式，這取決于所采用的諧振器的類型。
[0029]激光器10的說(shuō)明性實(shí)施例還包含多個(gè)反射鏡16、18、20。兩個(gè)反射鏡16、20通過(guò)反射鏡支架28來(lái)支撐，所述反射鏡支架定位在板條激光器空腔14的前端處。另一反射鏡18通過(guò)反射鏡支架30來(lái)支撐，所述反射鏡支架定位在板條激光器空腔14的后端處。反射鏡支架28、30被密封到陶瓷主體12，從而形成氣密的或真空密封的封圍物。在說(shuō)明性實(shí)施例中，反射鏡支架28、30使用環(huán)氧樹脂耦合到陶瓷主體。應(yīng)了解，也可通過(guò)各種其它方法提供氣密密封，所述方法包含(但不限于)銅焊、焊接、玻璃燒結(jié)等等，并且陶瓷主體12的組件12a、12b可以使用類似方法彼此粘附。還預(yù)期反射鏡16、18、20中的一者或一者以上可以直接粘附到陶瓷主體12，而不使用反射鏡支架。還將了解，在采用自由空間或波導(dǎo)不穩(wěn)定諧振器的實(shí)施例中，反射鏡20可以是沒(méi)有反射表面的窗口。
[0030]通過(guò)陶瓷主體12和反射鏡支架28、30形成的氣密封圍物被填充有激光器氣體，舉例來(lái)說(shuō)例如C02。激光器氣體可以是足以在被激發(fā)時(shí)在板條激光器空腔14中產(chǎn)生增益介質(zhì)的任何氣體混合物(多種元素和/或多種分子)。在一些實(shí)施例中，所述增益可以通過(guò)使用同位素來(lái)促進(jìn)除了 10.6 y m左右的波長(zhǎng)之外的波長(zhǎng)，并且可能并不是基于CO2,而是基于另一分子(舉例來(lái)說(shuō)，比如CO)。在說(shuō)明性實(shí)施例中，陶瓷主體12被完全氧化，并且因而將不與激光器氣體反應(yīng)。另外，因?yàn)樘沾芍黧w12不具有內(nèi)部部件，所以不存在因?yàn)閮蓚€(gè)表面之間的緊密接近而形成的虛擬泄漏(類似于現(xiàn)有技術(shù)激光器中發(fā)現(xiàn)的電極的夾層與絕緣體之間的泄漏)。在表面不接觸的情況下，這些表面在加熱和冷卻時(shí)其間不存在擦刷，從而導(dǎo)致氣體污染和惡化問(wèn)題。此外，說(shuō)明性實(shí)施例的氧化鋁主體12允許不需要RF饋通進(jìn)行RF電力的耦合。最后，可以將陶瓷主體12清潔到比鋁高得多的標(biāo)準(zhǔn)(提供更長(zhǎng)的激光器壽命)，并且可以將氧化鋁芯主體完全回收成類似于新的狀況(從而在幾年后單元報(bào)廢且被回收到工廠時(shí)提供產(chǎn)品成本優(yōu)點(diǎn))。
[0031]說(shuō)明性實(shí)施例的反射鏡16-20在板條激光器空腔14中共同形成自由空間多重折疊諧振器22?！岸嘀卣郫B”諧振器是其中激光束在至少三個(gè)不同的但部分重疊的路徑上在多個(gè)反射鏡(例如，反射鏡16-20)之間來(lái)回行進(jìn)的諧振器。說(shuō)明性實(shí)施例的激光器10采用具有五個(gè)不同的激光束路徑的多重折疊穩(wěn)定諧振器22。圖2中展示了增益介質(zhì)44(即，板條激光器空腔14內(nèi)的激發(fā)的激光器氣體)內(nèi)的這個(gè)光束圖案的表示。在諧振器22的此實(shí)施例中，后反射鏡18以球面波前光束直徑呈球面地彎曲，并且正面反射鏡16、20是扁平的，且具有平波前光束直徑。通過(guò)在反射鏡18與輸出耦合反射鏡20之間形成的最終光束路徑來(lái)確定光束特性。然而，另外四個(gè)光束路徑全部是復(fù)制品，因?yàn)槊恳还馐窂叫纬捎谝粋€(gè)末端處的扁平反射鏡16與另一個(gè)末端處的相同彎曲反射鏡18之間。這五個(gè)光束路徑之間的總間距主要是由反射鏡16與反射鏡20之間的角度來(lái)確定。在說(shuō)明性實(shí)施例中，這個(gè)角度經(jīng)設(shè)置以使得反射46的光束重疊不超過(guò)大約20%?！肮馐丿B”可以被界定為反射鏡中的一者處的不同的激光束路徑(例如，圖2中的反射鏡18上的光束反射46)之間的相交量，其被表達(dá)成光束直徑的百分比。大于20%的光束重疊可能導(dǎo)致光束路徑之間的競(jìng)爭(zhēng)，并且模式可能受到影響。如圖2中所示，從第一光束反射之后的每一后續(xù)光束反射46更靠近上一次光束反射地撞擊反射鏡18。換句話說(shuō)，隨著光束反射的數(shù)目增加，后來(lái)的光束反射46變得在反射鏡18上更加重疊。出于此原因，說(shuō)明性實(shí)施例使用五個(gè)光束路徑的配置(在反射鏡18上有三個(gè)反射46)以避免光束路徑之間的過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)檫@種競(jìng)爭(zhēng)可能導(dǎo)致混亂的模式和較差的功率。
[0032]在其它實(shí)施例中，反射鏡16可以被具有以不同的角度定向的多個(gè)平面反射表面的經(jīng)金剛石切削的分段反射鏡取代。這種分段反射鏡16可以重新引導(dǎo)每一光束路徑，以便將反射鏡18上的光束反射46隔開。由于反射鏡16上的點(diǎn)的這種較好的分離和較小直徑，所以不存在光束重疊(即，光束重疊大約為0% )，并且可以容易地選出反射鏡20處的最后一個(gè)光束反射。然而，在阻止了光束之間的競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)，反射鏡18、20上的光束反射的增加的數(shù)目可能導(dǎo)致呈吸收形式的所得反射損耗。分段反射鏡幾何形狀可以允許形成超過(guò)五個(gè)光束。
[0033]諧振器22可以替代地體現(xiàn)為自由空間不穩(wěn)定諧振器22，如圖3和4中所示。這些說(shuō)明性實(shí)施例的諧振器22在板條寬度(即，沿陶瓷主體12的壁32的尺寸)的軸線中是不穩(wěn)定的，并且在板條厚度(即，沿陶瓷主體12的壁34的尺寸)的軸線上是穩(wěn)定的。在不穩(wěn)定的軸線中，光束往往會(huì)跨越諧振器22幾何地?cái)U(kuò)大，直到其跨越反射鏡16的邊緣從空腔耦合出為止。在穩(wěn)定的軸線中，光束遵循標(biāo)準(zhǔn)高斯光束傳播定律在反射鏡16與反射鏡18之間傳播。圖3中展示“負(fù)支“配置，其中在不穩(wěn)定方向上反射鏡16、18兩者都是凹面的。圖4中展示“正支”配置，其中反射鏡16是凸面的，并且反射鏡18是凹面的。在這兩個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)反射鏡16、18的半徑的比率界定除了 1:1之外的比率，以使得保證一部分光逸出。此比率與諧振器22的輸出耦合百分比是等效的。不穩(wěn)定諧振器22的這兩個(gè)實(shí)施例均使用具有非球面表面(即一個(gè)方向上的半徑不同于另一垂直方向上的半徑)的反射鏡16、18。
[0034]在另外其它實(shí)施例中，諧振器22可以替代地體現(xiàn)為波導(dǎo)不穩(wěn)定諧振器22，也如圖3和4中所示。自由空間諧振器實(shí)施例與波導(dǎo)諧振器實(shí)施例之間的主要差異在于，在板條厚度的軸線上(即，平行于陶瓷主體12的壁34的尺寸)，壁32之間的間距靠近得多，從而允許在所述方向上通過(guò)板條激光器空腔14的壁32來(lái)導(dǎo)引諧振光子。在不穩(wěn)定軸線中，與自由空間諧振器實(shí)施例中一樣，光束跨越反射鏡16的邊緣從板條激光器空腔14耦合出。采用波導(dǎo)不穩(wěn)定諧振器22的激光器10的實(shí)施例具有優(yōu)于自由空間諧振器實(shí)施例的氣體冷卻優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槔涞牟▽?dǎo)壁32與等離子體的中心靠近得多。這類實(shí)施例的更好的散熱和更高的增益允許更大功率提取。
[0035]現(xiàn)在返回圖1，激光器10還包含多個(gè)電極24、26，其定位在板條激光器空腔14外部，并且鄰近于陶瓷主體12的壁32。在將激發(fā)信號(hào)施加到電極24、26時(shí)，安置在板條激光器空腔14中的激光器氣體將被激發(fā)。在說(shuō)明性實(shí)施例中，電極24、26各自被收納在形成在陶瓷主體12的外部表面中的細(xì)長(zhǎng)狹槽48中。當(dāng)將RF激發(fā)信號(hào)被施加到電極24、26時(shí)，板條激光器空腔14中的激光器氣體被激發(fā)，并且通過(guò)電容耦合而產(chǎn)生等離子體增益介質(zhì)44。雖然在說(shuō)明性實(shí)施例中電極24、26被展示為細(xì)長(zhǎng)電極，但是預(yù)期電極24、26可以具有不同幾何形式，可以是分段的，并且可能是扁平的，或者與陶瓷主體12的壁32有一角度。
[0036]使用在陶瓷主體12外部的電極24、26帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，在說(shuō)明性實(shí)施例中，RF能量通過(guò)陶瓷主體12的壁32耦合到板條激光器空腔14中，從而不再需要饋通，并且允許熱量更有效率地從等離子體耦合離開。在其它實(shí)施例中，可以使用不同幾何形式的電極來(lái)激發(fā)板條激光器空腔14中的激光器氣體的僅某些部分。在其它實(shí)施例中，可能單獨(dú)地激發(fā)多個(gè)片段電極中的單個(gè)片段。此外，使用外部電極24、26允許直到反射鏡16、18的表面的連續(xù)波導(dǎo)，而不需要激發(fā)激光器氣體的直接鄰近于反射鏡16、18的部分。眾所周知，波導(dǎo)的末端與反射鏡之間的間隙可能會(huì)給激光器帶來(lái)?yè)p耗；間隙越大，損耗越高。另一方面，必須在被激發(fā)的等離子體與反射鏡之間維持一段距離，以避免損害反射鏡表面。使用外部電極24、26保護(hù)了反射鏡16、18免受等離子體影響，但是仍然允許陶瓷主體12向反射鏡
16、18引導(dǎo)激光器輻射，并且在波導(dǎo)表面中沒(méi)有任何中斷。
[0037]現(xiàn)在大體上參看圖5— 7，激光器10還包含用于激勵(lì)電極24、26的RF電力電路。RF電力電路包含一射頻電力放大器(RFPA) 50和多個(gè)諧振線圈52，以及其它組件。在說(shuō)明性實(shí)施例中，諧振線圈52定位成鄰近于陶瓷主體12，并且在電極24、26之間并聯(lián)地電耦合。電極24、26電耦合到諧振線圈52，以提供被RFPA50驅(qū)動(dòng)的LC諧振電路。銅條帶54用于將電極24、26連接到諧振線圈52。這些銅條帶54也構(gòu)成了電路的一部分電感。LC電路的電容是由兩個(gè)電極24、26之間的電容和每一電極24、26與對(duì)應(yīng)散熱片56 (下文更詳細(xì)描述)之間的電容兩者組成。圖7中展示諧振線圈52與電極24、26之間的電路徑(包含散熱片56)的橫截面。電極24、26之間的間隙(包含板條激光器空腔14)產(chǎn)生極其低的電容。為了減少與諧振線圈52連接的總電容，電極24、26可以在兩側(cè)浮動(dòng)。RFPA50可以用推拉驅(qū)動(dòng)配置或單側(cè)驅(qū)動(dòng)配置而連接到激光器諧振電路。如圖7中所示，兩個(gè)散熱片56經(jīng)由其整個(gè)長(zhǎng)度上方的板58彼此電耦合，以便將LC電路的散熱片部分的電感減到最小，并且提供可能的最佳屏蔽。因?yàn)榘姌O24、26和諧振線圈52的所述電路是RF能量的發(fā)射器，所以激光器10的散熱片56和其它封圍物同時(shí)成為RF電路的屏蔽物和一部分。
[0038]如上文所提及，激光器10還可包含一個(gè)或一個(gè)以上熱耗散或熱傳遞裝置56，以防止激光器10中的過(guò)高溫度。舉例來(lái)說(shuō)，在一些實(shí)施例中，可以使用水冷卻板或水冷卻電極。在說(shuō)明性實(shí)施例中，陶瓷主體12大體上夾在兩個(gè)散熱片56之間。每一散熱片56熱稱合到電極24、26中的一者，以從所述電極吸收熱量，并且間接地從陶瓷主體12中的板條激光器空腔14吸收熱量。在散熱片56與相應(yīng)電極24、26之間，使用薄材料60將電極24、26與散熱片56電隔離，并且同時(shí)將熱量熱傳導(dǎo)到散熱片56。在說(shuō)明性實(shí)施例中，薄材料60包括加載有氧化鋁并且固化成類似于軟橡膠材料的厚膏。還預(yù)期可以將薄陶瓷條用于薄材料60。薄材料60還可放置于電極24、26與陶瓷主體12之間，以填充可能存在的任何氣隙并且促進(jìn)熱傳導(dǎo)。在任何情況下，薄材料60將具有高介電常數(shù)(例如，在8或9的范圍內(nèi)，其中氧化鋁主體12具有介電常數(shù)10)。薄材料60的高介電常數(shù)致使電極24、26中的一者與散熱片56之間的電容比電極24、26之間的電容高得多。
[0039]為了避免超出與RFPA50的最佳頻率匹配的對(duì)諧振的不受控調(diào)諧，激光器10的電容應(yīng)保持恒定。因?yàn)槊恳浑姌O24、26與散熱片56對(duì)之間的電容對(duì)于間距非常敏感，所以激光器10被設(shè)計(jì)成將散熱片56維持在離相應(yīng)電極24、26預(yù)定距離處，而與陶瓷主體12的溫度(在激光器10的操作溫度范圍內(nèi))無(wú)關(guān)。在說(shuō)明性實(shí)施例中，通過(guò)隔片62維持兩個(gè)散熱片56之間的間距，隔片62是由一種與陶瓷主體12和電極24、26的熱膨脹系數(shù)緊密匹配的材料制成。這些隔片62還支撐陶瓷主體12，并且維持每一電極24、26與其鄰近散熱片56之間的緊密間距。隔片62可由若干可能材料形成，包含(但不限于)鈦或7075 — T6鋁，這取決于所使用的特定陶瓷主體12和電極24、26。在其它實(shí)施例中，可以將陶瓷主體12的隅角鉆穿(以避開氣體儲(chǔ)集器36、38的方式)以允許安裝帶螺紋的插入物。在這些實(shí)施例中，陶瓷主體12自身在隨改變的溫度膨脹和收縮時(shí)變成了隔片62。
[0040]雖然已在前述圖式和描述中詳細(xì)說(shuō)明和描述了本發(fā)明，但應(yīng)認(rèn)為所述圖式和描述本質(zhì)上是說(shuō)明性而非限制性的，應(yīng)理解，已經(jīng)展示和描述了本發(fā)明的僅說(shuō)明性實(shí)施例，并且期望所有屬于本發(fā)明的精神內(nèi)的變化和修改受到保護(hù)。
【權(quán)利要求】
1.一種激光器(10)，其包括: 陶瓷主體(12)，其包含第一壁(32)和與所述第一壁(32)相對(duì)的第二壁(32)， 第一反射鏡(16),其定位在所述第一和第二壁(32)的第一末端處， 第二反射鏡(18)，其定位在所述第一和第二壁(32)的與所述第一和第二壁(32)的所述第一末端相對(duì)的第二末端處，所述第一和第二壁(32)和所述第一和第二反射鏡(16、18)在所述陶瓷主體(12)內(nèi)界定板條激光器空腔(14)， 第一電極(24)，其定位在所述板條激光器空腔(14)外部，并且鄰近于所述陶瓷主體(12)的所述第一壁(32)，以及 第二電極(26)，其定位在所述板條激光器空腔(14)外部，并且鄰近于所述陶瓷主體(12)的所述第二壁(32)，其中當(dāng)將激發(fā)信號(hào)施加到所述第一和第二電極(24、26)時(shí)，安置在所述板條激光器空腔(14)中的激光器氣體被激發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述第一和第二反射鏡(16、18)在所述板條激光器空腔(14)中形成自由空間多重折疊諧振器(22)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述第一和第二反射鏡(16、18)在所述板條激光器空腔(14)中形成自由空間不穩(wěn)定諧振器(22)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述第一和第二反射鏡(16、18)在所述板條激光器空腔(14)中形成波導(dǎo)不穩(wěn)定諧振器(22)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述板條激光器空腔(14)沿在所述第一和第二反射鏡(16、18)之間延`伸的縱向軸線具有大體上矩形的橫截面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光器(10)，其中所述板條激光器空腔(14)的第一橫向尺寸至少是所述板條激光器空腔(14)的第二橫向尺寸的兩倍大，所述第一橫向尺寸平行于所述陶瓷主體(12)的所述第一和第二壁(32)，并且所述第二橫向尺寸垂直于所述陶瓷主體(12)的所述第一和第二壁(32)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光器(10)，其中所述板條激光器空腔(14)的所述第二橫向尺寸至少與通過(guò)所述第一和第二反射鏡(16、18)形成的自由空間諧振器(22)的基諧模式的直徑一樣大。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光器(10)，其中所述板條激光器空腔(14)的所述第二橫向尺寸充當(dāng)波導(dǎo)，并且具有大約小于或等于大約0.3的菲涅耳數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述陶瓷主體(12)包括氧化鋁。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述第一和第二反射鏡(16、18)中的至少一者至少部分地上覆于在所述陶瓷主體(12)中形成的埋頭孔(42)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中: 所述第一反射鏡(16)是通過(guò)耦合到所述陶瓷主體(12)的第一反射鏡支架(28)來(lái)支撐， 所述第二反射鏡(18)是通過(guò)耦合到所述陶瓷主體(12)的第二反射鏡支架(30)來(lái)支撐，且 所述陶瓷主體(12)和所述第一和第二反射鏡支架(28、30)形成容納所述激光器氣體的氣密封圍物。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述陶瓷主體(12)進(jìn)一步包含形成于其中的第一氣體儲(chǔ)集器(36)，所述第一氣體儲(chǔ)集器(36)經(jīng)由在其間延伸的一個(gè)或一個(gè)以上氣體連通狹槽(40)與所述板條激光器空腔(14)氣體連通。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的激光器(10)，其中所述一個(gè)或一個(gè)以上氣體連通狹槽(40)沿所述板條激光器空腔(14)的在所述陶瓷主體(12)的所述第一和第二壁(32)之間延伸的一側(cè)(34)而布置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的激光器(10)，其中所述一個(gè)或一個(gè)以上氣體連通狹槽(40)占據(jù)所述板條激光器空腔(14)的所述側(cè)(34)的區(qū)域的至少一半。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的激光器(10)，其中所述陶瓷主體(12)進(jìn)一步包含形成于其中的第二氣體儲(chǔ)集器(38)，所述第二氣體儲(chǔ)集器(38)經(jīng)由在其間延伸的一個(gè)或一個(gè)以上氣體連通狹槽(40)與所述板條激光器空腔(14)氣體連通，所述第一和第二氣體儲(chǔ)集器(36,38)定位在所述板條激光器空腔(14)的相對(duì)側(cè)(34)上。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述第一電極(24)至少部分地收納在形成于所述陶瓷主體(12)的外部表面中的第一狹槽(48)中，并且所述第二電極(26)至少部分地收納在形成于所述陶瓷主體(12)的外部表面中的第二狹槽(48)中。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述第一和第二電極(24、26)經(jīng)定位以使得當(dāng)將所述激發(fā)信號(hào)施加到所述第一和第二電極(24、26)時(shí)，所述激光器氣體的鄰近于所述第一和第二反射鏡(16、18)的部分不被激發(fā)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光 器(10)，其進(jìn)一步包括熱耦合到所述第一電極(24)的第一散熱片(56)，所述第一散熱片(56)固定在離所述第一電極(24)預(yù)定距離處，與所述陶瓷主體(12)的溫度無(wú)關(guān)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的激光器(10)，其進(jìn)一步包括: 第二散熱片(56)，其熱耦合到所述第二電極(26)，和 隔片(62)，其連接所述第一和第二散熱片(56)，所述隔片(62)是由一種材料形成，所述材料具有基本上與所述陶瓷主體(12)的熱膨脹系數(shù)和所述第一和第二電極(24、26)的熱膨脹系數(shù)兩者匹配的熱膨脹系數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其進(jìn)一步包括用于激勵(lì)所述第一和第二電極(24,26)的RF電力電路，所述RF電力電路包含鄰近于所述陶瓷主體(12)而定位并且并聯(lián)地電耦合在所述第一和第二電極(24、26)之間的多個(gè)諧振線圈(52)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述第一和第二反射鏡(16、18)形成不穩(wěn)定負(fù)支諧振器(22)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述第一和第二反射鏡(16、18)形成不穩(wěn)定正支諧振器(22)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器(10)，其中所述第一和第二反射鏡(16、18)形成穩(wěn)定諧振器(22)，所述穩(wěn)定諧振器(22)經(jīng)配置以具有不超過(guò)大約20%的光束重疊。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的激光器(10)，其中所述第一和第二反射鏡(16、18)中的至少一者包括分段反射鏡，所述分段反射鏡具有以不同的角度定向的多個(gè)平面反射表面，使得所述光束重疊為大約0%。
25.一種激光器(10),其包括: 氣密電介質(zhì)封圍物(12)，其容納激光器氣體，所述氣密電介質(zhì)封圍物(12)在其中界定自由空間板條激光器空腔(14)， 多個(gè)反射鏡(16、18、20)，其在所述自由空間板條激光器空腔(14)中形成穩(wěn)定多重折疊諧振器(22)，以及 多個(gè)電極(24、26)，其定位在所述氣密電介質(zhì)封圍物(12)外部，使得當(dāng)將激發(fā)信號(hào)施加到所述多個(gè)電極(24、26)時(shí)，容納在所述自由空間板條激光器空腔(14)中的所述激光器氣體被激發(fā)。
26.一種激光器(10),其包括: 氣密電介質(zhì)封圍物(12)，其容納激光器氣體，所述氣密電介質(zhì)封圍物(12)在其中界定自由空間板條激光器空腔(14)， 多個(gè)反射鏡(16、18)，其在所述自由空間板條激光器空腔(14)中形成不穩(wěn)定諧振器(22)，以及 多個(gè)電極(24、26)，其定位在所述氣密電介質(zhì)封圍物(12)外部，使得當(dāng)將激發(fā)信號(hào)施加到所述多個(gè)電極(24、26)時(shí)，容納在所述自由空間板條激光器空腔(14)中的所述激光器氣體被激發(fā)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的激光器(10)，其中所述多個(gè)反射鏡(16、18)形成不穩(wěn)定負(fù)支諧振器(22)。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的激光器(10)，其中所述多個(gè)反射鏡(16、18)形成不穩(wěn)定正支諧振器(22)。`
29.一種激光器(10)，其包括: 氣密電介質(zhì)封圍物(12)，其容納激光器氣體，所述氣密電介質(zhì)封圍物(12)在其中界定波導(dǎo)板條激光器空腔(14)， 多個(gè)反射鏡(16、18)，其在所述波導(dǎo)板條激光器空腔(14)中形成不穩(wěn)定諧振器(22)， 以及 多個(gè)電極(24、26)，其定位在所述氣密電介質(zhì)封圍物(12)外部，使得當(dāng)將激發(fā)信號(hào)施加到所述多個(gè)電極(24、26)時(shí)，容納在所述波導(dǎo)板條激光器空腔(14)中的所述激光器氣體被激發(fā)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的激光器(10)，其中所述多個(gè)反射鏡(16、18)形成不穩(wěn)定負(fù)支諧振器(22)。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的激光器(10)，其中所述多個(gè)反射鏡(16、18)形成不穩(wěn)定正支諧振器(22)。
【文檔編號(hào)】H01S3/00GK103518295SQ201280010384
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月24日
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