專利名稱：金屬蒸氣激光器放電管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體激光領(lǐng)域。經(jīng)檢索與本發(fā)明相關(guān)的專利有1.美國專利 4，694，4632.歐洲專利 0 319 8983.美國專利 4，761，792上述三項(xiàng)專利都是關(guān)于金屬蒸氣激光器放電管的。其中美國專利4，694，463的放電管結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中放電等離子體管，陽極，陰極和高溫?zé)峤^緣層均置于一真空密封室內(nèi)，此密封室是由陰極窗口，陰極，陰極座，金屬波紋管A，高強(qiáng)度難熔陶瓷管，金屬波紋管B，陽極座，陽極和陽極窗口組成。其各部分之間主要靠焊接，過渡封接密封，只有窗口玻璃用橡膠圈與窗口密封連接，這種結(jié)構(gòu)不宜于更換損壞的零部件，只能一次性使用。
歐洲專利0319898的激光放電管結(jié)構(gòu)，示于圖2。其中同軸回流結(jié)構(gòu)的金屬圓筒是真空密封室的一個(gè)連接部件。在這樣的真空密封室中，放電等離子體管的兩個(gè)端部和陰極相應(yīng)的插入部份之間必須對(duì)磨加工到氣密程度。由于難融陶瓷管直度差，將它與鉬筒對(duì)磨加工是很困難的。另外，在放電過程中由于濺射或局部定點(diǎn)放電引起的電極損傷也會(huì)破壞氣密性，使得氖氣不可避免的會(huì)從放電等離子體管兩端進(jìn)入熱絕緣層，因此放電容易在陰極和同軸回流結(jié)構(gòu)的金屬圓筒邊緣之間發(fā)生，破壞了陰極通過放電等離子體到達(dá)陽極的正常放電通道。
另外，器件做為放大器使用時(shí)，歐洲專利0319898通過增長(zhǎng)陰極頭部窗口到陰極端面的距離d1，減小陽極頭部窗口到陽極端面的距離d2，同時(shí)令激光器放電管總長(zhǎng)度不變來減小窗口沾污和防止放大自發(fā)輻射增加。實(shí)驗(yàn)證明，由d1，d2變化引起放電管總長(zhǎng)度的增長(zhǎng)并不會(huì)使放大自發(fā)輻射明顯增加，另外，由實(shí)驗(yàn)可以看出，陽極頭部窗口沾污是引起激光器放電管透過率下降的主要因素，因此減小d2只能加重陽極頭部窗口沾污程度，使透過率進(jìn)一步下降。
美國專利4，761，792與其他兩專利不同，放電管是用難融陶瓷材料燒制而成，如圖3所示。其中間部份是放電等離子體管。為減小放電加熱引起等離子體管破裂，在放電等子體管內(nèi)襯有一層難熔金屬薄膜。由圖3可見，此金屬薄膜管的兩端距陰極和陽極很近，放電容易從陰極通過金屬薄膜到陽極發(fā)生，因此很難建立起在兩電極之間通過放電等離子體管內(nèi)的氣體正常放電。另外，由于在此金屬蒸氣放電管外沒有同軸回流結(jié)構(gòu)的金屬圓筒，所以放電等離子體管的長(zhǎng)度不能大于500毫米。
上述三項(xiàng)專利中的放電等離子體管都要求選擇直度＜0.006的難融陶瓷管制成。放電等離子體管愈長(zhǎng)，小于0.006直度的難融陶瓷管會(huì)愈難選擇，因?yàn)橐话阏f來，愈長(zhǎng)的難融陶瓷管直度愈差，因此等離子體管的長(zhǎng)度受到限制，而且從大量的難融陶瓷管中選出合格的管子，這就提高了放電管的成本。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種克服上述缺點(diǎn)并且實(shí)用的金屬蒸氣激光器放電管。其中放電等離子體管用短管銜接技術(shù)銜接而成，不受選擇管子材料有限長(zhǎng)度的限制，用短的管料可以制成任意長(zhǎng)度的放電等離子體管。
本發(fā)明的金屬蒸氣激光器放電管分為陰極頭部，中間管體和陽極頭部三部份。陰極頭部包括陰極窗口，進(jìn)氣口，陰極頭部法蘭和陰極。中間管體部份包括放電等離子體管，高溫?zé)峤^緣層，難融絕緣管，固定該絕緣管的陰極中法蘭和陽極中法蘭，同軸回流結(jié)構(gòu)的圓筒和高壓絕緣支撐架。陽極頭部包括陽極窗口、排氣口、陽極頭部法蘭和陽極。高壓絕緣支撐架由高壓絕緣支撐桿(通常用四根)固定于兩端兩圓盤上組成。
陰極頭部，陰極中法蘭，難融絕緣管，陽極中法蘭和陽極頭部之間用密封圈彼此密封連接成一真空密封室。放電等離子體管，熱絕緣層，陰極和陽極都置于此真空密封室內(nèi)。同軸回流結(jié)構(gòu)的圓筒一端通過陽極中法蘭和陽極頭部法蘭與陽極相連。同軸回流結(jié)構(gòu)的圓筒的另一端接于高壓絕緣支撐架的一個(gè)圓盤上，靠高壓支撐架與陰極隔離。此同軸回流結(jié)構(gòu)的圓筒位于真空密封室外，與放電等離子體管同軸置放，圓筒的材料通常選擇導(dǎo)電性能好又有很好強(qiáng)度的金屬，如銅、不銹鋼等。
陰極頭部，中法蘭和陽極頭部中均有水冷結(jié)構(gòu)，為防止過熱造成的損壞。
自陰極窗口到陰極端面的距離為d1，自陽極窗口到陽極端面的距離為d2。放電管作為激光振蕩器使用時(shí)可取d1等于d2。如作為激光放大器使用時(shí)令d2≥2d1，則窗口透過率會(huì)有明顯改善，盡管此時(shí)放電管總長(zhǎng)度隨之增加，其放大自發(fā)輻射并無明顯變化。
本發(fā)明的放電等離子體管可以由兩段或多段難融陶瓷管按需要長(zhǎng)度逐段銜接而成。銜接方法是用一段外徑略小于難融陶瓷管內(nèi)徑的難熔金屬薄管作為銜接管，將銜接管兩端各伸入兩難融陶瓷管中，使兩段陶瓷管從內(nèi)部銜接起來。
在一般金屬蒸氣激光器放電條件下，只要控制銜接管長(zhǎng)度為兩段難融陶瓷管相加的總長(zhǎng)度的0.08至0.12。這是為了避免發(fā)生電極到銜接管邊緣或各銜接管邊緣之間的附加局部放電。因?yàn)檫@種附加放電會(huì)影響整個(gè)放電管的均勻性和穩(wěn)定性，此外，這種附加局部放電還會(huì)引起銜接管邊緣被燒融。
為保證經(jīng)銜接而成的放電等離子體管具有較好的剛度和直度，銜接管壁的厚度也要選擇適當(dāng)。通常厚度略小于或等于0.3毫米。此外銜接管邊緣應(yīng)平滑無毛刺。上述銜接方法稱為短管銜接技術(shù)。
在相同放電條件下，用短管銜接術(shù)制成的放電等離子體管，不會(huì)因銜接而改變放電管的放電性能。金屬蒸氣工作物質(zhì)也不易從兩段難融陶瓷管銜接處溢出，因?yàn)榉烹娺^程中產(chǎn)生的焦?fàn)枱嵩诜烹姷入x子體管中的銜接部份是通過難融金屬薄管傳給難熔陶瓷管的。難熔金屬薄管相當(dāng)于增加了一個(gè)熱屏蔽層，使銜接部份的管壁溫度略高于其相鄰難融陶瓷管的管壁溫度。放電停止后，在散熱過程中，銜接部份的散熱亦較周圍難融陶瓷管慢，故其管壁溫度仍然高于其周圍的。
上述放電管結(jié)構(gòu)中作為放電離子體管使用的難融陶瓷管一般選用高溫高純度氧化鋁陶瓷管(工作溫度高于1500℃，純度大于99.99)，熱絕緣層一般選用高溫氧化鋁纖維氈(耐溫1600℃，熱導(dǎo)系數(shù)k＝0.5W/cmk)或定型氧化鋁纖維管。高壓絕緣管可選用石英管，或派勒克斯(Perex)玻璃，或高純度氧化鋁陶瓷管等。銜接管可用鉬、鉭、鎢等金屬材料制成的薄筒。密封圈常用氟或丁腈橡膠“○”圈，亦可使用銅、銀等金屬圓環(huán)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.用本發(fā)明所述的短管銜接技術(shù)可以制成任意長(zhǎng)度的放電等離子體管，不受選擇難融陶瓷管材料有限長(zhǎng)度的限制。特別對(duì)用于大功率金屬蒸氣激光器中制造長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于一米的放電等離子體管有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)棣?0以上的難融陶瓷管有限長(zhǎng)度僅為一米，直度一般為每米8-10毫米，用于放電管的要小于每米6毫米的直度，要選擇長(zhǎng)的合格的難融陶瓷是相當(dāng)困難。而用短管銜接技術(shù)制成的放電等離子體管其直度可以容易地達(dá)到要求。
2.由第一點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)可知，短的難融陶瓷管材料的質(zhì)量選擇優(yōu)于長(zhǎng)的難融陶瓷管，短的優(yōu)質(zhì)難融陶瓷管容易生產(chǎn)，管材價(jià)格也便宜，因此用短管銜接技術(shù)制作放電等離子體管可以降低放電管的成本。
3.真空密封室各連接部份均用密封圈密封，使用放電管拆裝靈活，調(diào)換部件方便，實(shí)用性強(qiáng)。
4.放電管做為激光振蕩器使用時(shí)一般取d1＝d2，若放電管作為激光放大器使用時(shí)，只需取d2≥2d1就能達(dá)到滿意效果。所以本發(fā)明的金屬蒸氣激光器放電管既可以用于激光振蕩器，又可以用于激光放大器。
5.本發(fā)明的同軸回流結(jié)構(gòu)的金屬圓筒置于真空密封室外，這就避免了陰極通過同軸回流結(jié)構(gòu)的金屬圓筒放電，從而保證了放電的穩(wěn)定可靠。


圖1為美國專利4，694，463的放電管結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-陽極 9-陰極座2-陽極座 10-陰極3-金屬波紋管B 11-陰極窗口4-氣密容器 12-高壓輸入線5-難融陶瓷管 13-地線6-放電等離子體管 14-外包熱絕緣層7-高溫?zé)峤^緣層 15-同軸回流結(jié)構(gòu)的金屬圓筒8-金屬波紋管A 16-陽極窗口圖2為歐洲專利0319898的放電管結(jié)構(gòu)示意圖。圖中17-高壓絕緣筒 21-金屬工作物質(zhì)18-諧振腔鏡 22-氣體供應(yīng)系統(tǒng)19-排氣口 23-進(jìn)氣口20-真空泵 24-諧振腔d1-陰極窗口到陰極端面的距離d2-陽極窗口到陽極端面的距離圖3為美國專利4，761，792的放電管結(jié)構(gòu)示意圖。
25-內(nèi)襯難熔金屬薄膜圖4為本發(fā)明放電管的結(jié)構(gòu)示意圖。
26-陰極中法蘭27-高壓絕緣支撐架28-難融絕緣管29-銜接管
30-陽極中法蘭31-陽極頭部法蘭32-陰極頭部法蘭33-密封圈圖5為本發(fā)明的金屬蒸氣激光器放電等離子體管由三段難融陶瓷管銜接而成的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明的金屬蒸氣激光器放電管作為放大器使用時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中d2＝2d1。
最佳實(shí)施例實(shí)施例1如圖4所示的結(jié)構(gòu)。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為放電等離子體管6 φ55×1300該管由φ55×1000和φ55×300兩根短管銜接而成。
銜接管29 φ47.5×100壁厚0.3難融絕緣管28 150×1670陰極10 φ47×250 壁厚2陽極1 φ47×250 壁厚2d1＝d2 150陰極窗口11 φ90陽極窗口16 φ90高壓絕緣支撐桿27 φ10×150銜接管材料選用薄鉬筒。密封圈有的選用氟橡膠有的選用丁腈橡膠“○”圈。難融絕緣管材料選用石英管，難融陶瓷管材料選用高溫高純度氧化鋁陶瓷管。電極材料選用鉬筒。高壓絕緣桿選用玻璃鋼材料。放電管各金屬部件如中法蘭，陰極和陽極頭部，同軸回流結(jié)構(gòu)的金屬圓筒等都選用不銹鋼材料。上述結(jié)構(gòu)的放電管用作銅蒸氣激光器，其平均輸出功率為45瓦。
實(shí)施例2如圖5所示的結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為放電等離子體管6 φ55×1300該管是由φ55×400加φ55×500加φ55×400三段短管銜接而成。
其他主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料選擇均與實(shí)施例1相同。
上述結(jié)構(gòu)的放電管用作銅蒸氣激光器，其平均輸出功率為45瓦。
實(shí)施例3如圖6所示的結(jié)構(gòu)其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為放電等離子體管6 φ40×1100該管由φ40×700和φ40×400兩根短管銜接而成。
銜接管29 φ34.5×100壁厚0.3難融絕緣管28 φ120×1420陰極10 φ34×200 壁厚2陽極1 φ34×150 壁厚2d1＝150，d2＝300陰極窗口11 φ70陽極窗口16 φ70高壓絕緣支撐桿27 φ10×150(以上長(zhǎng)度單位均為毫米)
各部件材料選擇與實(shí)施例1，2相同。
用上述結(jié)構(gòu)的放電管用作銅蒸氣激光器放大器時(shí)，其平均輸出功率為25瓦。
權(quán)利要求
1.一種屬于氣體激光的金屬蒸氣激光器放電管，分為陰極頭部、中間管體和陽極頭部三部分，其中陰極頭部包括陰極窗口、進(jìn)氣口和陰極；中間管體由中心軸線向外同軸置放有放電等離子體管，高溫?zé)峤^緣層，難融絕緣管，同軸回流結(jié)構(gòu)的圓筒；陽極頭部包括陽極窗口、排氣口和陽極，其特征在于由難融絕緣管向內(nèi)構(gòu)成的真空密封室所有銜接部分包括固定于難融絕緣管兩端的中法蘭、陰陽兩極的頭部法蘭和窗口全部以密封圈封接；放電等離子體管可以采用短管銜接技術(shù)銜接而成；d2≥d1(其中d1為陰極頭部窗口到陰極端面的距離，d2為陽極頭部窗口到陽極端面的距離)；置于真空密封室外的同軸回流結(jié)構(gòu)的圓筒一端通過陽極中法蘭和頭部法蘭與陽極相連，另一端有高壓絕緣支撐架支撐與陰極隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬蒸氣激光器放電管，其特征在于短管銜接技術(shù)是用銜接管將分段的短管銜接成所要求長(zhǎng)度的放電等離子體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種金屬蒸氣激光器放電管，其特征在于銜接管是金屬管，壁厚小于等于0.3毫米，長(zhǎng)度為銜接兩段放電等離子體管相加總長(zhǎng)度的0.08至0.12。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬蒸氣激光器放電管，其特征在于高壓絕緣支撐架是由支撐桿和支撐桿兩端的圓盤組成的。
全文摘要
一種屬于氣體激光的金屬蒸氣激光器放電管，分為陰陽極頭部和中間管體三部分。中間管體由中心軸線向外同軸置放著放電等離子體管，高溫?zé)峤^緣層，難融絕緣管，同軸回流結(jié)構(gòu)的圓筒。其同軸回流結(jié)構(gòu)的圓筒置于真空密封室外一端與陽極相連，一端與陰極隔離。真空密封室所有的連接部分均用密封圈相連，放電等離子體管可以用短管銜接技術(shù)銜接，該放電管既可用于激光振蕩器，也可用于激光放大器，具有拆卸方便，放電均勻穩(wěn)定可靠，成本降低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S3/03GK1059426SQ9010291
公開日1992年3月11日 申請(qǐng)日期1990年8月20日 優(yōu)先權(quán)日1990年8月20日
發(fā)明者梁寶根, 陳林, 陶永祥, 尹憲華, 崔健力 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所