專利名稱：大功率氣體混合物激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大功率混合物激光器，這種類型的激光器包括一個(gè)激發(fā)氮?dú)饬鞯陌l(fā)生器和一個(gè)將CO2(二氧化碳)氣流從發(fā)生器的下游引入到被激發(fā)的氮?dú)饬鞯难b置。
這種類型的混合CO2激光器已由C.O.Brown在《Applied Physics Letters(Vol.17，No.9，November，1970)》上他的論文“大功率CO2放電混合激光器”中進(jìn)行了描述。雖然這種放電混合激光器已在前些時(shí)候公開(kāi)了，但是他們還沒(méi)得到工業(yè)性的開(kāi)發(fā)，主要是由于他們操作在很低的壓力下、很難選擇發(fā)生器的受激發(fā)類型以及推薦使用氦氣。另一方面，大功率CO2激光器一般說(shuō)來(lái)在工業(yè)規(guī)模上的應(yīng)用還相當(dāng)有限，這不但是由于它們的成本高，對(duì)于光學(xué)部件本質(zhì)上還不夠可靠，而且還由于損耗問(wèn)題，以及還沒(méi)有任何光導(dǎo)纖維適合于傳輸這些波長(zhǎng)10μm的大功率激光。
本發(fā)明的目的是提供一種低成本的供工業(yè)上使用的大功率混合激光器，該激光器具有大大改進(jìn)的、可靠的、并以緊湊的形式傳輸超過(guò)千瓦的大功率激光。
為此，按照本發(fā)明的特征，激發(fā)氮體流的發(fā)生器是冷放電型的，操作壓力高于0.3×105Pa，并且耦合到一個(gè)沿其主方向具有相對(duì)的反射鏡的波導(dǎo)管上。
所謂“冷放電”意味著被激發(fā)的物種在氣態(tài)混合物中形成，而且氣態(tài)混合物中電中性的物種的溫度不超過(guò)250℃，一般的為150℃。按照作者的意見(jiàn)，這種類型的放電也被稱為例如“電暈放電”，“大氣壓輝光放電”，“位壘放電”或“靜放電”。
按照本發(fā)明的另外的特征，發(fā)生器包括管狀放電室，氣體橫向于放電室的軸線循環(huán);波導(dǎo)管的主方向大體平行于放電室的軸線;CO2引入到平行于上述軸線的氣體通道;波導(dǎo)管是傳聲道型的，具有大曲率半徑的弧形槽形狀，其主方向大體平行于上述軸線;至少一個(gè)反射鏡包括至少一個(gè)鉆石晶片。
在Marhic等人的美國(guó)專利No.4194808中描述了作為波導(dǎo)管的傳聲道的結(jié)構(gòu)和特性。在《IEEE Journal of Quantum Electronics(Vol.QE-15，No.6，June，1979)》上Marhic等人在他的論文“傳聲道型CO2激光器”中敘述了這種傳聲道型激光的使用。傳聲道型CO2激光器直到現(xiàn)在還受到短壽命問(wèn)題的影響和功率的影響，壽命主要是由于在光束的傳播區(qū)域由放電引起下降，功率受到放大介質(zhì)體積的限制。
本發(fā)明的配置可以避免上述問(wèn)題，混合激光的概念和在壓力相當(dāng)高的冷放電型發(fā)生器中激發(fā)氮?dú)馐梢缘玫胶芨叩暮瓦B續(xù)的增益。另外，利用混合激光器，可以利用相當(dāng)?shù)臍饬鱽?lái)清掃波導(dǎo)管的反射鏡，這就防止了粒子沉積在上面和防止了產(chǎn)生導(dǎo)致反射鏡很快變壞的熱點(diǎn)。另外一方面，使用鉆石反射鏡可以大體上消除反射鏡短壽命的問(wèn)題。其次，長(zhǎng)度短的波導(dǎo)管激光器反射鏡的調(diào)整不是重要的，用傳聲道型波導(dǎo)管甚至是更理想的反射鏡方向2°的變化不引起功率的任何變化，而且即使有1°的偏離，激光仍保持單一型式。即使傳聲道的曲率半徑很大，傳聲道的型式仍然是小的，約1mm2。對(duì)于d′lKW的光束，共振腔內(nèi)部的功率密度大于200KW/cm2，對(duì)鉆石反射鏡這是完全容許的。
按照本發(fā)明的其它特征，供給發(fā)生器的氣體至少包括78%的氮?dú)?，通常是氮和氧的混合氣，例如含氧約5%，最好利用吸附和/或滲透裝置來(lái)處理空氣，用此方法供給氣體混合物;激光器包括將一種由氦、氫和水蒸氣組成的一組氣體中選出的氣體引入到氣體混合物中的裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種按上述方法限定的用于切割材料的工業(yè)用激光器，其特征在于，它在其出口耦合到一個(gè)多螺旋形的終止于聚焦頭的傳聲道，由此可以最大限度利用傳聲道的特性。
下面提供


用圖表示的但不作限制的實(shí)施例，由此可以清楚本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中圖1是示出本發(fā)明激光器原理配置的示意圖;
圖2是本發(fā)明激光器的示意橫截面圖;
圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的局部示意圖;
圖4是示出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的類似于圖2的截面圖;
圖5和圖6是校正光束不對(duì)稱的共振腔的示意圖;
圖7是本發(fā)明的切割材料用的工業(yè)用激光器的示意圖。
在下面的描述和附圖中，相同的或類似的部件具有相同的參考號(hào)。
如圖1所示，本發(fā)明的激光器包括一個(gè)放電發(fā)生器1，該發(fā)生器通過(guò)其輸出口輸送包含已被激發(fā)的氮分子氣流，供給由波導(dǎo)管例如傳聲道2的一部分構(gòu)成的共振腔，傳聲道2的形狀為弧形槽，其主曲率半徑大于1m，在其相對(duì)的端部具有反射鏡3和透過(guò)激光束的反射鏡或窗口4。利用配置在共振腔5與發(fā)生器1的輸出口之間的注入裝置6使CO2氣流與包含已激發(fā)的氮?dú)獾臍饬骰旌稀０l(fā)生器1被這樣設(shè)置，使得通過(guò)細(xì)長(zhǎng)的出口通道13產(chǎn)生一個(gè)均勻的橫向于波導(dǎo)管2的氣流，波導(dǎo)管2形狀為槽形，其主方向大體平行于出口通道13。
在圖2所示的實(shí)施例中，發(fā)生器1如同本申請(qǐng)人在法國(guó)專利申請(qǐng)No.92.07486中公開(kāi)的發(fā)生器，它在一個(gè)金屬架內(nèi)，主要包括管形的具有軸線X的圓筒電極8，該電極同心地圍繞共軸電介質(zhì)管9，在管9的內(nèi)表面上裝有內(nèi)電極10，該電介質(zhì)管9與圓筒電極8構(gòu)成與電介質(zhì)管9共軸的管形氣體通道11，還包括通過(guò)入口12和出口13的金屬架的向外開(kāi)口，入口和出口的形狀為槽口形，平行于通道11的軸線X，槽口沿直徑相對(duì)配置，其高度不超管形通道11的徑向厚度。電極8和10被連接到高壓高頻發(fā)生器14上。內(nèi)電極10限制冷卻流體15例如水或氟利昂循環(huán)的體積。
按照本發(fā)明，圖1中的部件16連接在發(fā)生器1上形成整套激光器20，部件16形成高度約1mm的縱向凹部，其中配置傳聲道2，該傳聲道2槽的底部大體平行于出入口12和13構(gòu)成的直徑平面，側(cè)向氣體出口通道17和平行六面體的氣體入口通道18加長(zhǎng)了金屬架1的出口13，可以將CO2從入口18橫向上的平行六面體通道19引入通道18，通過(guò)例如網(wǎng)格21使CO2同包含被激發(fā)氮?dú)獾臍饬骰旌?，被激發(fā)氮?dú)庠谶M(jìn)入激光腔之前由于唯一激發(fā)躍遷激光的上能級(jí)而將其能量傳遞到CO2上。
如圖2示意出的激光束是橢圓的，具有線性偏振。從一側(cè)進(jìn)入的氣體富于振動(dòng)能而離開(kāi)的氣體沒(méi)有這種能量，因此按照傳聲道2的橫向氣流方向(Z軸)激光束是不對(duì)稱的。為了抵消這種不對(duì)稱，可以采用圖4的配置，該配置允許傳聲道的單方向光學(xué)控制，即配置傳聲道，使其垂直面對(duì)氣體通道18的下游端部，通道18對(duì)著主體1的出口通道13，此外，CO2入口19a、19b最好是對(duì)稱的，氣體出口通路17a、17b也是這樣。還可以采用有三個(gè)反射鏡31、32、33的折回腔，其中兩個(gè)反射鏡32、33是傾斜的(圖5)，帶有仿形反射鏡4的不穩(wěn)定腔提供一個(gè)逸出開(kāi)口(圖6)，或者波導(dǎo)管至少具有一個(gè)多孔的導(dǎo)向表面，可以注入氣流穿過(guò)該表面。另一方面，在圖2的實(shí)施例中，為保證大部分被激發(fā)物種穿過(guò)包含光子的區(qū)域，傳聲道2的下壁23上具有定向的凹痕，因而有利于在凹部中形成高度渦流。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，在傳聲道2端部的反射鏡3和4至少由一個(gè)涂層的或不涂層的C-Ⅱ-A鉆石晶片構(gòu)成，如例如在本申請(qǐng)人的法國(guó)專利申請(qǐng)No.92.02437中所述。如圖3所示，該圖示出由傳聲道2構(gòu)成的波導(dǎo)管，如果不希望使用穿過(guò)波導(dǎo)管2的氣體混合物來(lái)清掃反射鏡3和/或4，則可以利用一般通過(guò)通氣罩24的輔助過(guò)濾氣流來(lái)清洗這些反射鏡，該通氣罩緊靠反射鏡3配置，其尺寸稍大于激光外形的尺寸。
從氣源25引入到發(fā)生器1的氣體的壓力在0.3×105Pa和3×105Pa之間，最好約為0.5×105Pa，或?yàn)楹?jiǎn)化操作，最好在大氣壓，引入的氣體是至少包含78%氮和通常的氧的氣體混合物，例如空氣。一般在混合激光器中大比例使用的氦這里不需要。加氦的目的是穩(wěn)定放電和使激光躍遷的下能級(jí)去激發(fā)。由于在發(fā)生器1中使用冷放電，所以也無(wú)需穩(wěn)定。加入例如氫或水蒸氣可以實(shí)現(xiàn)去激發(fā)，最好在引入CO2的區(qū)域加入，氫或水蒸氣在媒介氣流中被引入，為實(shí)現(xiàn)去激發(fā)，他們比氦更有效。氫和水蒸氣也使激光躍遷的上能級(jí)去激發(fā)，因此其濃度需要準(zhǔn)確控制。氫的量不應(yīng)當(dāng)超過(guò)總氣流的2%或3%，氫最好與CO2在發(fā)生器的下游引入以避免使氮去激發(fā)。同CO2混合的水蒸氣量不應(yīng)超過(guò)10000ppm。
最好用空氣通過(guò)吸附或滲透得到的包含少量(大于1%)氧氣的氮?dú)馓峁┙o發(fā)生器1，這樣可以降低氮?dú)獾某杀?。這樣，使用含氧5%的氮?dú)怆姇灧烹姲l(fā)生器1的輸出相對(duì)于使用純氮?dú)鈨H有稍許降低。氮?dú)庵邪难踉诎l(fā)生器1中將部分轉(zhuǎn)化成臭氧，而后有效地由混合在CO2中的氫破壞生成水。在用空氣供給發(fā)生器的情況下，發(fā)生器1中的壓力最好約0/5×105Pa，提供的空氣用水清潔，使水量不超過(guò)5000ppm，并最好小于100ppm。水量應(yīng)在100ppm和5000ppm之間保持常數(shù)。對(duì)于在0.5×105Pa壓力的給定空氣流率，在下游引入的CO2和氫的流率在最佳實(shí)施例中分別在該空氣流率的10%和30%之間和在該空氣流率的0.5%和1%之間。
為了限制不同氣體的消耗，最好如圖7所示安裝一種氣體循環(huán)管路，使從出口17排出的氣體混合物進(jìn)入薄膜滲透裝置26，該裝置26可以回收CO2、氦或氫，然后在入口19處重新注入。如果需要，可在輸入口12再注入凈化的氮?dú)?。在同一圖7中，示出了一個(gè)用于切斷材料的完整激光器。離開(kāi)激光器的反射鏡4的激光束通到一個(gè)耦合系統(tǒng)27，然后再通到一個(gè)有柔性的多圈傳聲道28，該傳聲道的自由端包括一個(gè)獨(dú)立于激光器20而可移動(dòng)的聚焦系統(tǒng)，以便跟隨切割形狀。
雖然本發(fā)明已根據(jù)特殊的實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但是本發(fā)明并不由此受到限制，相反，它還允許進(jìn)行對(duì)該領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種大功率混合激光器，包括激發(fā)氮?dú)饬鞯陌l(fā)生器(1)和將CO2氣流引入到已激發(fā)的氮?dú)饬髦械难b置(6；19)，其特征在于，發(fā)生器(1)是冷電暈放電型，操作在大于0.3×105Pa的氣壓下，耦合到具有反射鏡(3、4)的波導(dǎo)管(2)上，反射鏡(3、4)沿波導(dǎo)管的主方向相對(duì)配置。
2.按權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于，發(fā)生器(1)包括具有軸線(X)的管形放電室(11)，它對(duì)于軸線(X)進(jìn)行氣體橫向循環(huán)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光器，其特征在于，波導(dǎo)管(2)的主方向平行于軸線(X)。
4.如權(quán)利要求3所述的激光器，其特征在于，CO2氣體通過(guò)至少一條平行于軸線(X)的氣體通道引入。
5.如權(quán)利要求2至4之一所述激光器，其特征在于，波導(dǎo)管(2)的形狀為具有大曲率半徑的弧形槽，該槽的主方向大體平行于軸線(X)。
6.如權(quán)利要求5所述的激光器，其特征在于，配置槽(2)的底部設(shè)置成大體平行于通道(18)中的氣體混合物氣流。
7.如權(quán)利要求5所述的激光器，其特征在于，配置槽(2)的底部設(shè)置成大體垂直于通道(18)中的氣體混合物氣流。
8.如上述權(quán)利要求之一所述的激光器，其特征在于，至少一個(gè)反射鏡(3;4)包括至少一個(gè)鉆石晶片。
9.如上述權(quán)利要求之一所述的激光器，其特征在于，供給發(fā)生器(1)的氣體(25)至少包含78%的氮?dú)狻?br> 10.如權(quán)利要求9所述的激光器，其特征在于，在供給發(fā)生器(1)的氣體(25)中水蒸氣的含量不超過(guò)5000ppm。
11.如上述權(quán)利要求之一所述的激光器，其特征在于，它包括將一種氣體引入到供給波導(dǎo)管(2)的氣體混合物中的裝置，這種氣體是從由氦氣、氫氣和水蒸氣組成的一組氣體中選擇的。
12.如權(quán)利要求11所述的激光器，其特征在于，氣體混合物中氫的體積含量上不超過(guò)3%。
13.如權(quán)利要求11所述的激光器，其特征在于，供給波導(dǎo)管(2)的氣體混合物中水蒸氣的含量不超過(guò)10000ppm。
14.如權(quán)利要求9至13之一所述的激光器，其特征在于，供給發(fā)生器(1)的氣體(25)包含約5%的氧氣。
15.如上述權(quán)利要求之一所述的激光器，其特征在于，供給發(fā)生器(1)的氣體(25)的壓力約為0.5×105Pa。
16.如權(quán)利要求1至14之一所述的激光器，其特征在于，它包括一個(gè)使離開(kāi)出口17的氣體混合物再循環(huán)的管路，該管路包括分離CO2和氮?dú)庥玫难b置(26)。
17.如上述權(quán)利要求之一所述的激光器，該激光器用于切割材料，其特征在于，它耦合到一個(gè)終止于聚焦頭(29)的多圈傳聲道(28)上。
全文摘要
激光器包括激發(fā)氮?dú)饬鞯陌l(fā)生器(1)。該發(fā)生器操作在高于0.3×10
文檔編號(hào)H01S3/223GK1101175SQ9311821
公開(kāi)日1995年4月5日 申請(qǐng)日期1993年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月2日
發(fā)明者布律諾·瑪麗, 丹尼爾·蓋蘭, 克里斯蒂昂·拉克特 申請(qǐng)人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司