专利名称：轴流一氧化碳激光器的构建方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光器的制作技术，特别是涉及大功率一氧化碳激光器中轴流一氧化碳激光器的构建方法及其装置的改进。
常用的大功率一氧化碳激光器分为横流一氧化碳激光器和轴流一氧化碳激光器两种。而轴流一氧化碳激光器具有结构简单、输出高、模式好等特点，是激光加工的重要器件。经过调谐的轴流一氧化碳激光器，其激光波长覆盖范围为4.8微米～8.4微米，有近400条谱线可作光谱分析用，且其5.33微米波长的强线在国际上用于激光分离铀同位素，意义重大。
现有的轴流一氧化碳激光器大体上可分为两种。一种为其部件均采用石英材料(或玻璃材料)的全石英器件(或全玻璃器件)，因为轴流一氧化碳激光器工作时要求将混合气(一氧化碳、氮、氦)的温度降得很低，通常是降到100°K左右或以下，这就要求激光器中的热交换器、分流器、分流管、储气池、放电管、汇合器等各部件均处于液氮(77°K)中。全石英材料器件就是指将需要处于液氮中的上述各部件及液氮槽均用石英材料制作，并做成一个全石英整件。由于石英的膨胀系数极小，又因全石英整件为同种材料，故可实现低温下的同步变化，使这种器件能够在低温下运行。这种轴流一氧化碳激光器虽然石英放电管的放电性能优异，整个器件真空性能也好。但是其加工工艺复杂；而且需要使用大量昂贵的石英材料，制造成本高；再就是容易出现破坏性损坏，整体是一件昂贵的易碎品；若按比例放大作成更大的激光器，则安全问题更不容忽视。其次，如果制作过程中退火处理不好，使用一段时间后可能出现自然炸裂，还有就是全石英材料器件其热交换器的性能较差。
另一种轴流一氧化碳激光器是放电管采用陶瓷管或除石英、陶瓷外的绝缘材料管(以下简称为绝缘材料管)，其余部件为金属材料构成，这种轴流一氧化碳激光器各部分均有较高的强度，其热交换器效果也较好。但陶瓷管不仅价格贵，而且陶瓷管与金属材料部件间的焊接技术复杂；又因陶瓷及绝缘材料管壁一般均比石英管(或玻璃管)厚得多，则不利于混合气低速流动时工作，真空封接麻烦，且难于达到要求；再就是电极的最佳定位极为困难，电极最佳定位可使轴流一氧化碳激光器输出明显提高。
本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的缺陷，对轴流一氧化碳激光器的构建方法及其装置进行改进，而提供一种采用石英材料与金属材料相结合进行制作安装的轴流一氧化碳激光器。该激光器既保留了全石英激光系统放电管优异的放电性能，又克服了陶瓷管或绝缘材料管与金属材料部件间焊接、密封方法复杂麻烦等问题，还保证了电极最佳定位易于实现，并使热交换器的性能优于相应的石英部件。同时大大减少了易损部分，整个器件可按各部件分别加工再组装、换接损坏部件方便，且降低了制作成本价格。
本发明的目的是由以下措施实现的轴流一氧化碳激光器的构建方法是采用石英管、金属材料、绝缘材料制作。其激光获得过程是先将CO、N2、He(一氧化碳、氮、氦)三种气体经混气瓶混合后送入预冷器，再经热交换器冷却后由分流管分两路分别进入两独立放电管中部的储气池，然后由两环状狭缝分别径向喷射进入两段放电管，低温气体在放电管内放电并分别流向每段放电管的两端，再经汇合器汇集后由罗茨泵抽走。混合气体在放电管放电时一氧化碳分子受到激发并产生受激辐射，受激辐射在全反镜和输出镜(仍有很高反射率)的控制下，激光从输出镜输出。本发明的要点在于，激光器的核心部分(它们均在液氮中)是采用石英管、金属材料、绝缘材料相结合的方法制作。放电管采用石英管，为使放电性能优异并只在放电管内进行，储气池、分流管和从阳极到汇合器的管道也采用石英材料制作。而且两管道内部气体所呈现的电性阻抗应高于放电管内气体所具有的阻抗；其次热交换器采用铜材料制作，铜材料易于加工，其导热系数比石英材料大数个量级，而且可将热交换器与混合气的接触面做得很大，但总体积并不大；再其次，混合气进出管道，分流器、汇合器及其相应衔接部件以及液氮槽采用不锈钢金属材料制作，它的真空性能好，收缩系数小。本发明的要点还在于，提出石英管与金属管端口间的自然性真空封接技术。
附图
为本发明轴流一氧化碳激光器结构示意图。
下面结合附图、工作原理及实施例对本发明作进一步详细说明。
附图中，钢瓶1中的三种气体(一氧化碳、氮、氦)以一定比例流入不锈钢混气瓶2混合后再流入不锈钢预冷器3，经过预冷后的混合气再流入用铜材料作成的热交换器5进一步冷却到100°K左右，然后经不锈钢管A再进入不锈钢管分流器6中，分流器6中的气体由石英分流管7分两路分别进入两独立的对称的石英放电管8中部的石英储气池9，储气池9内的冷却混合气由两环状狭缝分别径向喷射进入石英放电管8，喷射可使混合气进一步降温，低温气体在两段放电管放电并分别流向每段放电管的两端，混合气在放电后最终经汇合器10汇集后再由罗茨泵13抽走，混合气体在石英放电管8内放电时一氧化碳分子受到激发并产生受激辐射，受激辐射在全反镜14和输出镜15(仍有很高反射率)的控制下，在输出镜15得到激光输出。
本发明所用放电管选择石英管8，为的使放电性能优异。同时，为使放电只在放电管内进行，因此分流管7和从阳极C到汇合器10(汇合器兼作接地阴极)的管道B均选用石英管，而且它们内部气体所呈现的电性阻抗应高于放电管内气体所具有的阻抗，由于这些管道直径较小，长度短，故加工、换接较方便。石英管绝缘性能好，表面光洁而极少吸附杂气，因而放电时不会因电场或热作用而散发杂气或其自身产生有害于激光工作介质(CO、N2、He混合气)的成分。而且石英管壁较薄(一般1.5～2毫米)，有利于管内激光工作介质与管外液氮交换放电时产生的热量，特别是在工作介质流速不高时对提高激光输出功率有利。
热交换器5采用铜材料做成，混合气进出管道A、汇合器10及相应衔接部件和液氮槽4采用不锈钢材料做成，是因为金属材料加工容易，坚固，特别是不锈钢材其真空性能很好，也便于和大型罗茨泵及气体混合装置连接。由于金属的导热系数很大，就是不锈钢这种传热很差的金属也比石英等绝缘材料的导热系数高一个数量级以上，所以用铜材做热交换器是理想的选择。利用其导热系数大，可将热交换器与混合气的接触面做得很大，例如，将大量的薄铜片连接起来，每片间间隙极小，但对气体分子来说此间隙已足够大，连接处保持与液氮直接接触，而热交换器总体积并不大。然而用石英材料作成巨大接触面的热交换器则是相当困难的事。
本发明采用自然性真空封接技术是将石英管与金属管(铜材或不锈钢)端口间进行真空密封。首先将金属(不锈钢)端口加工成圆形开口接头，其外径尺寸与同它相对接的石英管外径尺寸一致，再用膨胀系数大低温下仍具一定弹性的聚四氟乙稀材料，加工成光滑的圆环，圆环的长度为约5厘米，其内径比要对接的石英管、金属管外径略小0.5毫米，然后经加热，待光滑圆环内径增大后，将对接的石英管和金属管(如不锈钢管)套住，即可达到真空密封的目的。经多次实验表明，这种封接技术在室温下一对接头的密封真空度可达10-2毫米汞柱高，在液氮温度下不但安全，而且真空度可达10-3毫米汞柱高以上，完全达到了轴流一氧化碳激光器对真空度的要求。本发明采用不锈钢材料部件之处也可用黄铜或硬铝制作。
本发明与现有技术相比具有如下特点1.本发明具有优异的放电性能，金属热交换器与混合气的接触面做很大，导热系数大，热交换性能显著优于其他非金属热交换器。
2.本发明提出石英管与金属管端口间的自然性真空封接技术，其操作方法简单、方便，且达到理想的效果。
轴流一氧化碳激光器的装置，主要由装CO、N2、He(一氧化碳、氮、氦)的钢瓶1、不锈钢混合瓶2、不锈钢预冷器3、进出管道A及液氮槽4、不锈钢冷却器12及罗茨泵13等组成，液氮槽4中的铜热交换器5与不锈钢分流器6连接，不锈钢分流器6有两支石英分流管7与石英放电管8中的石英储气池9相连接，不锈钢汇合器10与放电管连接处及其下部分处于液氮槽4的液氮中，其上面部分位于液氮面之上并安装于开关11的支撑性管道上，罗茨泵13与冷却器12相连接，激光输出由输出镜15输出。该装置的各部件分别加工后再组装连接，便于换接损坏部件。其优点是1.本装置各部件为组合式，其加工技术优于整件装置(如全石英激光器)。
2.由于为组合式，整个器件可按各部件分别加工后再组装，操作单简，并有利于器件按比例放大，做成更大的轴流一氧化碳激光器。
权利要求
1.轴流一氧化碳激光器的构建方法，是液氮槽(4)中各部件均采用石英管，或金属材料、绝缘材料等制作而成，其激光获得过程是先将钢瓶(1)中CO、N2、He(一氧化碳、氮、氦)三种气体经混气瓶(2)混合后送入预冷器(3)，再经热交换器(5)冷却后由分流管(7)分两路分别进入两对称放电管(8)中部的储气池(9)，然后由两环状狭缝分别径向喷入两段放电管，低温气体在放电管内放电并流向每段放电管两端，再经汇合器(10)汇集后由罗茨泵(13)抽走，最后激光从输出镜(15)输出，其特征在于为使放电性能优异，液氮槽(4)中两独立的对称的放电管(8)采用石英管，为使放电只在放电管内进行，储气池(9)、分流管(7)和从阳极(C)到汇合器(10)的管道(B)也采用石英材料制作，且两管道内部气体所呈现的电性阻抗应高于放电管内气体所具有的阻抗；其次热交换器(5)采用铜材料制作，其热导系数比石英材料大数个量级，并可将热交换器(5)与混合气的接触面做得很大，而总体积并不大；混合气进出管道(A)、分流器(6)、汇合器(10)及其相应衔接部件、液氮槽(4)则采用不锈钢材料制作，不锈钢材料易于加工，真空性能好，收缩系数小，其特征还在于石英管与金属管端口间采用自然性真空封接技术。
2.按照权利要求1所说的方法，其特征在于所说的自然性真空封接技术是将金属管(如不锈钢管)端口加工成圆形开口接头，其外径尺寸与同它相对接的石英管外径尺寸一致，用膨胀系数大、低温下仍具一定弹性的聚四氟乙稀材料加工成光滑的圆环，圆环的长度约5厘米，其内径比要对接的石英管、金属管外径略小0.5毫米，然后经加热，待光滑圆环内径增大后，将对接的石英管和金属管套住即可达到真空密封的目的，其真空度在室温下可达10-2毫米汞柱高，在液氮温度下不但安全，且真空度可达10-3毫米汞柱高以上，完全达到了轴流一氧化碳激光器对真空度的要求。
3.按照权利要求1或2所说的方法，其特征在于采用不锈钢材料部件之处，也可采用黄铜或硬铝制作。
4.轴流一氧化碳激光器的装置，主要由钢瓶(1)、混气瓶(2)、预冷器(3)、进出管道(A)及液氮槽(4)、冷却器(12)、罗茨泵(13)、全反镜(14)、输出镜(15)等组成，其特征在于不锈钢液氮槽(4)中的铜热交换器(5)与不锈钢分流器(6)连接，不锈钢分流器(6)有两支石英分流管(7)与石英放电管(8)中的石英储气池(9)相连接，不锈钢汇合器(10)与放电管连接处及其下部分处于液氮槽(4)的液氮中，其上面部分位于液氮面之上并安装于开关(11)的支撑性管道上，罗茨泵(13)与冷却器(12)相连接，激光输出由输出镜(15)输出。
5.按照权利要求4所说的装置，其特征在于该装置的液氮槽(4)中各部件分别加工后再组装连接，便于换接损坏部件。
全文摘要
本发明涉及轴流一氧化碳激光器的构建方法和装置的改进。液氮槽中分流管、放电管、储气池、阳极处气体流出管道用石英材料制作,热交换器用铜材料制作,液氮槽、分流器、汇合器及连接管用不锈钢制作,对石英管与金属管端口的封接用自然性真空封接技术。装置包括液氮槽中各部件分别加工后相连接,形成组合式配置,再与其他部件相连接。本发明有放电性能优异,热交换性能好,自然性真空密封的真空度达到要求等优点。整个器件按各部件分别加工后再组装,不易损坏,成本价格低。
文档编号H01S3/04GK1328365SQ0011301
公开日2001年12月26日 申请日期2000年6月13日 优先权日2000年6月13日
发明者李育德, 匡一中, 张秀云 申请人:四川大学