[其他]激光氣體的電激勵方法

無效

• 申請號: 88100757
• 申請日: 1988-02-22
• 公開（公告）號: CN88100757A
• 公開（公告）日: 1988-09-07
• 發明（設計）人: 朱根·尤蘭布施;約翰尼斯·施亞福爾澤·泊·張
• 申請（專利權）人: 梅塞·格里施姆有限公司
• 主分類號: H01S3/097
• 分類號: H01S3/097;H01S3/22
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利代理部
• 代理人: 王彥斌

本發明涉及激光氣體的電激勵方法，特別涉及二氧化碳、氦和氮混合氣體（CO₂-He-N₂）的激勵方法。混合氣體垂直于軸向放電管注入，並由垂直于激光放電管耦合進來的微波點燃。

激光光束通常是由兩片反射鏡和激光活性媒質組成的光學諧振腔並通過光學放大作用受激輻射而產生的。

激光活性媒質則是由受激原子，在CO₂激光器中則是由受激CO₂分子組成。激勵過程通常由放電來實現。放電點火時刻，放電管中的電場強度必須比維持放電等離子體所需要的電場強度大得多。一旦微波碰到尚未激勵的激光氣體，就能在足夠的電場強度下點燃激光氣體，從而產生一個小小的等離子區。這個等離子區吸收微波后，產生更多的電子並使等離子區加寬。當達到所謂“臨界密度”這一確定的電子密度時，微波幾乎完全沿其發射方向被等離子體反射。這時，發生器與等離子體之間的電場強度增加，而等離子體沿微波發生器的方向不斷延伸。此過程一直延續到微波到達腔壁或微波入射窗口。對反射起重要作用的“臨界密度”是微波頻率和電子與分子碰撞頻率的函數。達到“臨界密度”，也就達到最終狀態。這時，微波在腔壁最外層完全被吸收，再也不可能進入放電空間。腔壁最外層的溫度不斷上升，常常使絕緣的放電管和微波窗口遭受損傷。

由DFVLR技術物理所出版的《激光學術討論會》85年第13期上SchocR，W.的文章中得知，在微波激勵時氣體激光器的放電管內產生具有較高電子密度的強吸收腔壁表面層。此表面層通常使 激光器失效。為避免產生腔壁表面層，德國航空航天研究試驗機構（DFVLR技術物理研究所）已選擇了將微波耦合到具有高壓差的噴射氣流中的辦法。使用位于絕緣窗口后的高壓機構，從而避免了在該區域中點火。激光氣體的點火是在噴嘴后面的低壓區中進行的。微波功率為4.75KW，轉換效率為7%時，CO₂激光器的最大連續續輸出功率為340W。由于激光氣體沿微波傳播方向流動，而諧振腔垂直的放在非均勻分布的激光媒質中，只作用到部分媒質，所以這種結構的效率很低。由于整個裝置需要大流量和高壓差，所以造價昂貴。

從1978年7月第49期《應用物理》雜志3753～3756頁上Handy和Brandelik寫的題為《用2.45千兆赫脈動微波激發CO₂氣體的激光器》一文中我們了解到一種制作類似的氣體激光器所用的微波激勵氣體放電的方法。在這種氣體激光器中，微波垂直于激光氣體流動方向穿過激光氣體;而激光氣體從與微波耦合方向垂直放置的放電管的入口處流入，在從垂直于微波耦合放置的放電管的出口流出。在這種裝置中，被加熱的等離子體緊貼在絕緣放電管的壁上，所以在壁上形成一層吸收能力很強的腔壁表面層。這就使得氣體激光氣的效率很低，并需要裝有預先冷卻到200°K的液氮冷卻裝置。

這里所提出的發明旨在避免激光氣體被微波激勵時產生上述腔壁表面層并實現均勻、大體積輝光放電。

這項任務是這樣創造性的解決的：在微波耦合區內輸入激光氣體，并在那兒將氣體點燃，然后將點燃的激光氣體隨同微波一起通過T形波導擴展到放電管的兩臂或單臂中去。

這時，放電延伸到封閉微波波導管中每個電場強度大的地方。激光氣體輸入輸出位置安排的要求是不能讓微波電場產生泄漏。

通過與微波傳播方向垂直的微波和波導管中激光氣體的有效耦合，耦合區域中，特別是像T形或L形波導管中的電場強度明顯大于形成放電管的雙臂或單臂中的電場強度。另外，射到按長度為入/4的同軸波導管設計的激光氣體入口處的微波先由短路板反射，且由于安裝在激光氣體入口中的點火電極的尖端上可提供增大的電場強度，所以能在點火電極尖端放電點火。在點火電極的自由端形成等離子體，并由氣流運送到激光氣體放電管中。這時，送往放電管中的等離子體充分吸收放電管正中間的微波，而不吸收管壁附近的微波，并使激勵過程維持下去。通過改變波導管的形狀，可以成功的獲得與微波吸收有關的沿氣體流動方向的功率下降和電場下降量。

密閉波導管的橫向尺寸的選擇原則是微波的波長比兩倍的放電管長度還大得多。這樣就可以使氣體流動方向上的電激勵幾乎保持不變。此外，對于矩形波導管，其寬度一直減到“截止寬度”，而園形波導管則減到“截止直徑”。

“截止寬度”與自由空間中微波的米波長相當;而自由空間中的“截止直徑”則為0.58×波長。

激光氣體放電管與激光諧振腔的光軸重迭，所有被激勵的激光氣體都在光學諧振腔中。不斷調節完善激光氣，即可在激光束斷面上產生均勻放電。