專利名稱：多電極引渡放電的金屬管氣體激光器及其配電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種多電極引渡放電的金屬管氣體激光器及其配電系統(tǒng)，適用于各種氣體激發(fā)的激光器。
中小功率氣體激光器如He-Ne、CO、CO2、Ar+及Kr+等激光器通常由一對(duì)密封于玻璃管殼中的電極構(gòu)成放電管，只有空心陰極型金屬離子激光器才使用多電極結(jié)構(gòu)[EP0178810(Prio.12.10.84.JP212667/84)]。這種在玻璃管殼中密封一個(gè)空心陰極并對(duì)多個(gè)陽極進(jìn)行放電的結(jié)構(gòu)只能用于金屬離子激光器，對(duì)氣體原子、分子型激光器如He-Ne或CO2的放電激發(fā)是不利的。也有用在絕緣管殼中分段設(shè)置金屬圓柱的激光裝置，如專利EP241191(Prio.09.04.86 GB8608610)。它用控制電極的重復(fù)放電以蒸發(fā)和離解金屬并提供泵浦功率達(dá)到有激光輸出的目的。這種結(jié)構(gòu)同樣不適用于CO2、CO及He-Ne等氣體激光器。概括地說上述已有技術(shù)有如下缺點(diǎn)1.采用玻璃管殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差、容易損壞，不利于生產(chǎn)、安裝和運(yùn)輸;2.玻璃管材料的熱導(dǎo)率低，對(duì)氣體介質(zhì)的冷卻效果差，尤其對(duì)于象CO2激光器、CO激光器這種分子激光器因散熱性能不好影響更為嚴(yán)重;3.上述電極配置的結(jié)構(gòu)特別不利于為了提高激光輸出功率而增長(zhǎng)放電管長(zhǎng)度的情況，因?yàn)榧す馄鏖L(zhǎng)度的增加，穩(wěn)定性下降。若采用多管折疊的結(jié)構(gòu)，雖能提高激光器的穩(wěn)定性，但供電又很難獲得穩(wěn)定的各段同時(shí)均勻地放電，而且放電均勻需要采取相當(dāng)繁雜的電路結(jié)構(gòu)，為此激光器成本將大大增加;4.上述結(jié)構(gòu)的激光器放電管很難簡(jiǎn)單地串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合使用，因?yàn)檫@會(huì)給同時(shí)均勻放電帶來許多困難。因此折疊器件難以緊湊小型化;5.上述多電極結(jié)構(gòu)的激光器放電正柱區(qū)很短，對(duì)低E/P值氣體分子激發(fā)不利，激發(fā)效率低。
本發(fā)明的目的為克服上述已有技術(shù)的缺點(diǎn)采用多電極引渡放電的金屬管做為激光放電管可使激光放電管的著火電壓大大降低，有利于降低對(duì)電源及絕緣強(qiáng)度要求，提高整體電光效率。采用金屬管殼，不僅可以提高機(jī)械強(qiáng)度，而且能大大提高激光工作氣體的散熱能力，簡(jiǎn)化放電管結(jié)構(gòu)，幾只放電管可隨意串聯(lián)、并聯(lián)或串并混聯(lián)，各只放電管之間不會(huì)產(chǎn)生影響，這將特別有利于激光放大，提高激光功率，壓縮激光器件的空間體積?？梢越M成陣列式激光器或折疊式激光器。


圖1是本發(fā)明的多電極引渡放電金屬管氣體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的多電極引渡放電金屬管經(jīng)配電系統(tǒng)和電源之間的接線圖。
圖3是置于同一放電金屬管1內(nèi)有兩支內(nèi)管6的2路激光輸出的多電極引渡放電的金屬管氣體激光器示意圖。
圖4是兩路折疊式多電極引渡放電的金屬管氣體激光器示意圖。
圖5是引渡電極7非對(duì)稱分布的多電極引渡放電的金屬管氣體激光器示意圖。
圖6是內(nèi)管6置于放電金屬管1一側(cè)，兩者不同軸的多電極引渡放電的金屬管氣體激光器示意圖。
本發(fā)明多電極引渡放電的金屬管氣體激光器的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，含有多電極引渡放電金屬管激光器的外殼，兼作放電的公用陰極，以下簡(jiǎn)稱放電金屬管1，它是由機(jī)械強(qiáng)度較好，熱導(dǎo)率高，電導(dǎo)率優(yōu)良，氣密性好的金屬材料如銅、鋁、不銹鋼、柯伐合金等做成的。放電金屬管1兩端面是由和放電金屬管1相同材料做成的端面密封蓋板2，密封蓋板2一塊兼作全反射鏡4的基座，另一塊兼作輸出耦合反射鏡5的基座。密封蓋板2和放電金屬管1之間氣密密封，可以鉛焊、膠封或法蘭密封。放電金屬管1內(nèi)由支撐架3支撐的有內(nèi)管6，支撐架3可用真空金屬材料或非金屬材料做成。內(nèi)管6可由石英、玻璃(包括有冷卻套的管子)、氧化鋁、氧化鈹?shù)忍沾刹牧献龀?，?nèi)管6用以限定放電通道及固定N(N＝2，3，…，n)個(gè)成對(duì)置放的引渡電極7、8，及主放電電極9。引渡電極7、8和主放電電極9通過放電金屬管1上的側(cè)孔10伸到放電金屬管1外，引渡電極7、8和主放電電極9與放電金屬管1之間的間隙是電絕緣的并且保持真空密封。引渡電極7、8及主放電電極9由鎢、鉬、鋁、銀、金、銅等導(dǎo)電材料做成，其形狀可以是針狀、片狀、環(huán)狀等。引渡電極7、8及主放電電極9在內(nèi)管6上的相對(duì)位置可如下確定第一對(duì)引度電極7三等分內(nèi)管6的長(zhǎng)度L，對(duì)稱置放，即引渡電極7的極間距為d1d2＝L/3，第二對(duì)引渡電極8三等分第一對(duì)引渡電極7之間的間距d1d2，即第二對(duì)引渡電極8的極間距為d3d4＝d1d2/3，其他的依次類推，即第n對(duì)引渡電極的極間距為dn-1dn＝dn-3dn-2/3，當(dāng)?shù)谌龑?duì)為主放電電極9時(shí)，它三等分第二對(duì)引渡電極8的間距d3d4，即主放電電極9的極間距離為D1D2＝d3d4/3，當(dāng)有n對(duì)引渡電極時(shí)，主放電電極的極間距離為D1D2＝dn-1dn/3。引渡電極和主放電電極的極間距離的中心點(diǎn)均與內(nèi)管6總長(zhǎng)度L的中心點(diǎn)相同，也就是說引渡電極和主放電電極均以二分之一內(nèi)管6的長(zhǎng)度L的中心點(diǎn)為中心成對(duì)的對(duì)稱地置放而最中間的一對(duì)為主放電電極9。增加引渡電極對(duì)數(shù)，是為了縮小放電“死區(qū)”，選擇引渡電極的數(shù)量，應(yīng)視內(nèi)管的長(zhǎng)度L而定。內(nèi)管6的內(nèi)徑可根據(jù)特定激光波長(zhǎng)、模式及輸出功率等參數(shù)要求確定。
多電極引渡放電的金屬管氣體激光器和電源之間的接線如圖2所示，配電系統(tǒng)12含有連接到每一對(duì)引渡電極7、8之間和引渡電極8與主放電電極9之間的附助放電電阻13和每一級(jí)的限流器14、15、16，還有隔直或引發(fā)的附助放電電容17，以及串接在每對(duì)引渡電極7、8和引渡電極8與主放電電極9之間的斷流器18，配電系統(tǒng)12的輸入端與可調(diào)壓恒壓電源11的輸出端相連。具體地?cái)⑹鋈缦驴烧{(diào)壓恒壓(或穩(wěn)壓)電源11。輸出端連接到多電極引渡放電的配電系統(tǒng)12，配電系統(tǒng)12中有附助放電電阻13連接到每一對(duì)引渡電極和引渡電極與主放電電極之間，第一級(jí)限流器14與第一對(duì)引渡電極7相接。第二級(jí)限流器15與第二對(duì)引渡電極8相接。第三級(jí)限流器16和主放電電極9相接。限流器可以是電阻、電感線圈、電位器以及它們的組合件。還有作為隔直流電容或作為引發(fā)電容的附助放電電容17和斷流器18，斷流器18可以是電器開關(guān)、斷電器、變阻器。斷流器18分別串接在第一對(duì)引渡電極7與第二對(duì)引渡電極8以及第二對(duì)引渡電極8與主放電電極9之間。
上面所述的放電金屬管1和內(nèi)管6均具有雙層管壁，兩層管壁之間為水冷層。
上面所述的置于放電金屬管1的內(nèi)管6與放電金屬管1是同軸的，如圖1所示，或者是不同軸的，如圖6所示。置于放電金屬管1內(nèi)的內(nèi)管6可以是一支，如圖1、2、5、6所示;或者是兩支，如圖3、4所示。圖4中是在同一放電金屬管1中置有兩支內(nèi)管6，中間用兩塊45°全反射鏡19將光路串起來?；蛘咴诜烹娊饘俟軆?nèi)置于多于兩支的內(nèi)管6。
上面所說的由內(nèi)管6固定的引渡電極7、8，和主放電電極9是相對(duì)內(nèi)管6長(zhǎng)度L的中心對(duì)稱置放的，或者是不以內(nèi)管6長(zhǎng)度L的中心點(diǎn)作為對(duì)稱點(diǎn)置放的，如圖5所示。
現(xiàn)在以圖2為例說明多電極引渡放電的金屬管氣體激光器及其配電系統(tǒng)的工作情況。放電金屬管1通常情況下接地，為的是安全。并放電金屬管1與可調(diào)壓恒壓電源11的負(fù)極相連接，可調(diào)壓恒壓電源11的高壓輸出與第三級(jí)限流器16相接。斷流器18處于常通狀態(tài)。給可高壓恒壓電源11供電，令其輸出電壓漸漸增加，當(dāng)輸出電壓E大于放電金屬管1與引渡電極7之間著火電壓Vi1時(shí)，放電金屬管1和引渡電極7之間發(fā)生輝光放電，它們之間的電壓隨之降到工作電壓V01。電壓差(E-V01)降在第一級(jí)限流器14上，如果使(E-V01)大于引渡電極7、8之間的著火電壓Vi2，那么引渡電極8和7之間發(fā)生放電。此時(shí)斷開引渡電極7與8之間的斷流器18，放電就只在引渡電極8和放電金屬管1之間進(jìn)行。其工作電壓為V02。在第二級(jí)限流器15上就有電壓降(E-V02)，使(E-V02)大于引渡電極8和主放電電極9之間的著火電壓Vi3，則主放電電極9和放電金屬管1之間發(fā)生放電……依次放電漸漸引渡，向中間的主放電電極逼近。當(dāng)然這種多電極引渡放電的過程是很快進(jìn)行的，尤其在一開始就施加足夠高的恒定電壓時(shí)。附助放電電容17和附助放電電阻13起著穩(wěn)定著火電壓Vi及降低外場(chǎng)干擾的作用。
本發(fā)明充分利用氣體放電的帕邢曲線中著火電壓Vi隨電極間距d而變化的性質(zhì);在恒定氣壓中隨著電極間距的減小，著火電壓也減小，因此有Vi1＞Vi2＞Vi3＞…＞Vin。主放電電極間的放電“死區(qū)”的相對(duì)長(zhǎng)度可以由引渡放電的級(jí)n表示即(1/3)n+1，n≥1。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)在于使用多電極引渡放電的金屬管作為激光器的放電管大大降低了放電激發(fā)的使用電壓(包括著火電壓Vi及工作電壓V0)。降低限流電阻上功率損耗，提高整體電光轉(zhuǎn)換效率。所以上述配電系統(tǒng)提高了各級(jí)放電的均勻性，改善由于內(nèi)管6電極制造的差引起的放電不均勻性及抗干擾能力。同時(shí)降低對(duì)供電電源的技術(shù)要求。(2)本發(fā)明多電極引渡放電的金屬管氣體激光器，可以用金屬材料作放電管的外殼，不僅提高了機(jī)械強(qiáng)度而且有利于工作氣體通過金屬材料(高熱導(dǎo)率性)散熱，降低氣體溫度，從而提高激光器的工作效率。(3)本發(fā)明多電極引渡放電金屬管氣體激光器的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在同一個(gè)放電金屬管1中實(shí)現(xiàn)多路平行放電，達(dá)到多路激光同時(shí)輸出，如圖3所示。也可以在同一個(gè)放電金屬管1中實(shí)現(xiàn)多管平行放電激發(fā)而激光光路串接以提高激光輸出功率和方向性，同時(shí)緊湊器件設(shè)計(jì)尺寸，提高器件工作的穩(wěn)定性如圖4所示。另外用對(duì)稱多電極引渡放電金屬管的激光系統(tǒng)可省去上述已有技術(shù)中的回氣管，這是極其有利于自然對(duì)流，實(shí)現(xiàn)氣體更換和冷卻，有利激光功率提高，并且為進(jìn)一步發(fā)展強(qiáng)迫流動(dòng)冷卻系統(tǒng)提供了便利條件。
實(shí)施例利用圖1和圖2所示的多電極引渡放電的金屬管氣體激光器，說明本發(fā)明的實(shí)施例。
引渡電極的數(shù)目N＝4，放電金屬管1是由無氧銅做成的水冷雙層圓筒，長(zhǎng)1250mm，外徑Φ60mm，內(nèi)徑Φ50mm，內(nèi)外層之間為冷卻水層，側(cè)壁開有10個(gè)側(cè)孔10，其中兩端的兩個(gè)側(cè)孔為金屬放電管自身的冷卻水進(jìn)出口孔，其余8個(gè)側(cè)孔10的位置和大小與內(nèi)管6上的二個(gè)冷卻水接口及4個(gè)引渡電極及二個(gè)主放電電極相對(duì)應(yīng)。內(nèi)管6是由GG17玻璃做成的雙層水冷放電管，全長(zhǎng)1200mm，兩端設(shè)置冷卻水進(jìn)出口，距兩端各400mm設(shè)置第一對(duì)引渡電極7，其極間距離d1d2＝400mm，距兩端各530mm，設(shè)置第二對(duì)引渡電極8，其極間距離d3d4＝d1d2/3≈140mm，距兩端各575mm處設(shè)置主放電電極9，其兩主放電電極之間距離D1D2＝50mm。內(nèi)管6和放電金屬管1同軸安裝，冷卻水嘴和引渡電極及主放電電極均經(jīng)側(cè)孔10伸出放電金屬管1外而并且和放電金屬管1真空絕緣密封。兩密封蓋板2和光軸垂直并和放電金屬管1氣密鉛焊，使全反射鏡4和耦合輸出反射鏡5構(gòu)成激光器的光學(xué)諧振腔。在內(nèi)管6中充3000帕左右的(CO2∶N2∶He∶Xe)混合氣體。如圖2接好配電系統(tǒng)12。然后給可調(diào)壓恒壓電源11供電。當(dāng)可調(diào)壓恒壓電源11的輸出電壓達(dá)到16KV左右，全管的引渡放電結(jié)束，在內(nèi)管6中只有主放電電極9之間有50mm左右的輝光暗區(qū)。在此良好的工作條件下可有60～70W激光輸出，比同樣激光工作條件下的已有技術(shù)的激光器，輸出功率提高了，并且提高了放電均勻性，減小了放電“死區(qū)”，大大減少了已有技術(shù)氣體激光器放電限流電阻上所消耗的電功率，因此大大提高了激光器的總效率。
當(dāng)在同一個(gè)放電金屬管1中設(shè)置四根平行放電內(nèi)管6，內(nèi)管6的內(nèi)徑為16mm，引渡電極的設(shè)置同上例，調(diào)整全反射鏡4位置和耦合反射鏡5使四根放電內(nèi)管6為光學(xué)串聯(lián)，形成激光諧振腔。通過可調(diào)壓恒壓電源11和配電系統(tǒng)12給四根對(duì)稱引渡放電內(nèi)管6供電，使四根內(nèi)管6同時(shí)平行放電，在同上例的工作條件下，可產(chǎn)生200W左右的激光輸出。放電金屬管1的外徑取200mm水冷結(jié)構(gòu)同上例。
權(quán)利要求
1.一種多電極引渡放電的金屬管氣體激光器及其配電系統(tǒng)。其特征在于含有由金屬材料制成的兼作激光器公用陰極及外殼的放電金屬管(1)、置于放電金屬管(1)兩端面有兩塊密封蓋板(2)、一塊密封蓋板(2)兼作全反射鏡(4)的基座，另一塊密封蓋板(2)兼作激光束輸出耦合反射鏡(5)的基座，置于放電金屬管(1)內(nèi)由支撐架(3)支撐的有內(nèi)管(6)、在內(nèi)管(6)上固定有N(N=2，3，…，n)個(gè)成對(duì)置放的引渡電極(7)、(8)，在引渡電極(7)、(8)中最中間的電極為主放電電極(9)，固定在內(nèi)管(6)上的引渡電極(7)、(8)和主放電電極(9)均伸出放電金屬管(1)外與配電系統(tǒng)(12)連接。
2.依照權(quán)利要求1所述的一種多電極引渡放電的金屬管氣體激光器及其配電系統(tǒng)，其特征在于輸入端與可調(diào)壓恒壓電源(11)輸出端相連接的配電系統(tǒng)(12)含有在每對(duì)引渡電極(7)、(8)之間和主放電電極(9)與引渡電極(8)之間連接有附助放電電阻(13)，以及與每對(duì)引渡電極(7)、(8)和引渡電極(8)與主放電電極(9)之間相對(duì)應(yīng)的每一級(jí)的限流器(14)、(15)、(16)，還有隔直流或引發(fā)的附助放電電容(17)，以及串接在每對(duì)引渡電極(7)、(8)和引渡電極(8)與主放電電極(9)之間的斷流器(18)。
3.依照權(quán)利要求1所述的一種多電極引渡放電的金屬管氣體激光器及其配電系統(tǒng)，其特征在于放電金屬管(1)和內(nèi)管(6)均具有雙層管壁，兩層管壁之間為水冷層。
4.依照權(quán)利要求1或3所述的一種多電極引渡放電的金屬管氣體激光器及其配電系統(tǒng)，其特征在于置于放電金屬管(1)內(nèi)的內(nèi)管(6)與放電金屬管(1)是同軸的，或者是不同軸的。
5.依照權(quán)利要求1所述的一種多電極引渡放電的金屬管氣體激光器以及其配電系統(tǒng)，其特征在于置于放電金屬管(1)內(nèi)的內(nèi)管(6)是一支，或者是兩支、或者是多支。
6.依照權(quán)利要求1所述的一種多電極引渡放電的金屬管氣體激光器及其配電系統(tǒng)，其特征在于固定于內(nèi)管(6)上的引渡電極(7)、(8)和主放電電極(9)是相對(duì)內(nèi)管(6)長(zhǎng)度L的中心點(diǎn)對(duì)稱置放的，或者是不以內(nèi)管(6)長(zhǎng)度L的中心點(diǎn)作為對(duì)稱點(diǎn)而置放的。
全文摘要
本發(fā)明是一種多電極引渡放電的金屬管氣體激光器及其配電系統(tǒng)。主要適用各種氣體放電激勵(lì)的激光器。激光器含有由金屬材料制作兼作外殼和公用陰極的放電金屬管，放電金屬管內(nèi)有支撐架支撐的內(nèi)管，內(nèi)管上固定有N(N＝2，3…，n)個(gè)成對(duì)置放的引渡電極和主放電電極。引渡電極和主放電電極連接的配電系統(tǒng)含有與每對(duì)引渡電極和主放電電極相對(duì)應(yīng)連接的輔助放電電阻、限流器、輔助放電電容和斷流器。
文檔編號(hào)H01S3/03GK1100845SQ9411218
公開日1995年3月29日 申請(qǐng)日期1994年6月3日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月3日
發(fā)明者王福敦, 龔光源, 王潤(rùn)文 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所