[其他]氣體激光器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 87108369
• 申請日: 1987-12-22
• 公開（公告）號: CN87108369A
• 公開（公告）日: 1988-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 托馬斯·R·葛斯基
• 申請（專利權(quán)）人: 光電科技有限公司
• 主分類號: H01S3/22
• 分類號: H01S3/22;H01S3/02
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 吳秉芬,林長安

本發(fā)明涉及激光器，特別是氣體激光器的氣體放電管和氣體回流通路。

近來，人們對激光器和它們產(chǎn)生的光的利用越來越增加興趣。通常，激光器包括有放射激光的介質(zhì)，它們被密封在一個光學(xué)諧振腔中，諧振腔的一端為一高反射鏡，對著的另一端是一個部分反射、部分透射的鏡子。將外部能源產(chǎn)生的能量加給放射激光的介質(zhì)，使它的原子或分子激發(fā)或泵激到一個較高能態(tài)。介質(zhì)被激發(fā)后，一部分原子或分子在一段短的時間內(nèi)回到其初始的低能態(tài)。如果這兩個能態(tài)之間的能級差足夠大，則當(dāng)原子或分子回到它們的較低能態(tài)時，各放出一個光能量子，稱其為光子。

在激光器中，這些光子中的一部分由反射鏡反射并激勵受激原子或分子，使它們移到較低能態(tài)，同時發(fā)射出與反射光子的特性相同的光子或者光激射。這些光子中的一部分通過部分反射鏡，成為一相干光束而傳播。該光束的空間特性決定于發(fā)射激光的介質(zhì)和光學(xué)諧振腔，而且它傳送各個光子能量的總和。凡是使用激光器的地方，都要有一可控的光能源，該能源發(fā)射一高能光束，這一光束可被嚴(yán)格聚焦，其橫截面積很小。自從激光出現(xiàn)以來，已在科學(xué)、機(jī)械加工、通訊和醫(yī)療等方面得到廣泛應(yīng)用。

氣體激光器是一種流行的激光器。這類激光器中，在一密封的空間中含有氣態(tài)的產(chǎn)生激光的介質(zhì)。通常，該空間是一個由放電管限定的放電毛細(xì)管。構(gòu)成光學(xué)諧振腔的反射鏡置于這個空間的兩端。陰極和陽極與氣體相接觸，以便加在兩極間的電壓能使氣體激發(fā)。氣體激光器所以流行，是和使用氣態(tài)的發(fā)射激光介質(zhì)有關(guān)的，它們能以高功率產(chǎn)生各種具有極好的空間相干性的光。

但是，設(shè)計氣體激光器有兩個需要考慮的問題，這兩個問題的解決又是互不相容的。第一個問題，陽離子化的氣態(tài)離子朝發(fā)射電子的陰極流動。這種流動稱為電泳現(xiàn)象，它有助于使氣體朝陰極運動，從而在陰極附近形成高壓區(qū)，而在陽極附近形成低壓區(qū)。電泳是一種令人擔(dān)心的現(xiàn)象，因為當(dāng)激光發(fā)出長時間周期的光束時，常常要使激光以連續(xù)波的形式工作，而當(dāng)激光以這種形式工作時，整個毛細(xì)管中的氣體本應(yīng)處在一種均勻的平衡壓力狀態(tài)中。

因此，由于電泳就使得有必要提供帶有氣體平衡系統(tǒng)的激光器，以防止在放電毛細(xì)管中產(chǎn)生不均勻的壓力累積。有些平衡系統(tǒng)包括一個外部供氣源和一個真空泵。這些外圍設(shè)備一齊工作，可以保持毛細(xì)管內(nèi)部的氣體有均勻的平衡壓力?？墒?，由于要提供這些外圍設(shè)備帶來一個缺點，即增大了激光系統(tǒng)的體積，費用也隨之增加。

另一種氣體平衡系統(tǒng)是在放電毛細(xì)管的兩端之間有一氣體回流通路。這種系統(tǒng)還包含大量的保持穩(wěn)定的氣體，它們與回流通路保持聯(lián)通。這種技術(shù)使得氣體繞著放電管循環(huán)流動，從而在毛細(xì)管內(nèi)維持均勻的壓力。然而，帶有氣體回流通路的激光器有一個較大的缺點，這就是將導(dǎo)致電流通過氣體回流通路，并將其中的氣體激發(fā)。這是一種不必要的能量消耗，而這些能量本來是可以用于激發(fā)放電管中發(fā)射激光的氣體，從而能發(fā)射出更強(qiáng)的相干光束的。

這些問題可以通過在氣體激光器上裝備曲折的氣體回流通路而得到解決。這有效地減小了自由電子掃描運動的平均自由程長，從而抑制了氣體當(dāng)中電流的流動。給激光器提供這種形式的通路，大大地增加了激光系統(tǒng)的整體尺寸。此外，有些氣體的回流通路是在氣體放電管中鉆一系列平行的毛細(xì)管組成的，對一個放電管提供許多毛細(xì)管將大大增加其制造費用。還有的帶氣體回流通路的系統(tǒng)是由處于放電管外部的陶瓷管或玻璃管構(gòu)成的。這些管子大大增加了激光系統(tǒng)的體積。此外，由于這些外加的管子容易破損，以致這些系統(tǒng)是易碎的;而且，這些管子也大大增加了激光系統(tǒng)的造價。

第二個要考慮的設(shè)計上的問題涉及到用來將熱量從放電毛細(xì)管中散掉的裝置。對發(fā)射激光的氣體的激發(fā)過程，在毛細(xì)管中產(chǎn)生大量的熱，為保證激光器能在一個較長的時間周期中連續(xù)工作，在激光器的工作特性將要受到影響前，就須將這種熱量從放電毛細(xì)管中散掉。

迄今為止，要提供一種帶有有效的、緊湊的氣體回流通路，并帶一個有效的散熱機(jī)構(gòu)的激光器仍然是困難的。譬如，一種帶有由多個毛細(xì)管折合成一個放電毛細(xì)管以及氣體回流通路的激光器，它可以具有有效的氣體維持穩(wěn)定的系統(tǒng)。可是，為了包住這毛細(xì)管以及氣體回流通路所限定的自由空間所需要的厚壁管子將阻礙熱量從放電毛細(xì)管傳導(dǎo)出去。另外，也可以圍繞著帶有外圍氣體回流通路的薄壁放電管放置一個大直徑的水冷套?？墒?，提供一個帶有這種水套的激光器會大大增加激光系統(tǒng)的整體尺寸、它的易碎性以及它的制造費用。