专利名称：一种气体激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于激光器技术，特别是涉及一种气体激光器，一种主要应用于激光 加工行业的板条状放电区域的气体激光器。
背景技术：
目前，中功率(数百瓦 千瓦)的激光器市场潜力巨大，到现在为止，还没有用户 非常满意的实用产品，为了获得中高功率的激光输出，目前，国内的一种方案是加长封离式 玻璃管激光器放电区，由于放电区过长，导致激励电压过高，运输、安装、使用等不方便；第 二种方案是采用多个放电管的折叠光路结构，这种结构增加了光学镜片，也增加了系统的 复杂性，降低了光路的稳定性和激光输出的稳定性和可靠性。对于大功率激光器，可以采用 快速流动气体激励，做成横流或轴流激光器，增加了气体流动与冷却系统，其结果是体积庞 大，重量重，运行噪声大，耗气量大，运行成本高。为了解决这种现状，国外设计了射频激励 扩散冷却板条激光器，放电电极为带水冷通道的金属电极，电极之间间距小，是光路传输的 一个波导结构，所以电极的加工、安装非常复杂，放电室为金属结构的密封容器，电源是射 频电源，激光器输出光束为条状光斑，光斑需要整形才能使用，这种激光器性能好，寿命长， 但是其技术难度高，设备采购及使用维护成本高，对于相同功率的100瓦激光器，射频激励 板条激光器的价格是封离式玻璃管激光器价格的数10倍，所以难以在我国广泛的推广应 用。
发明内容本实用新型的目的在于结合封离式玻璃管激光器和射频激励板条激光器各自的 优点，并克服它们各自的不足，提供一种全新的结构简单的气体激光器。本实用新型提供的一种气体激光器，包括放电室、放电电极、水冷通道和储气室， 水冷通道分布在所述放电室外壁上，储气室位于水冷通道外，所述放电室与储气室之间通 过回气管相通，其特征在于放电室为由放电腔体、尾镜端条状反射镜、输出端条状反射镜 和全透输出镜共同构成一个密封的腔室，放电腔体由非金属材料制成的板条状空心结构， 尾镜端条状反射镜和输出端条状反射镜分别位于放电腔体的前、后端外，输出端条状反射 镜的中间或一侧留有通光孔，全透输出镜位于通光孔处，并作为激光输出窗口 ；放电电极位 于放电腔体的前、后两端内，或者左、右两侧内。本实用新型提供的激光器结构简单，按照板条状放电区面积的不同，可以获得 100 1000W甚至更高的功率。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点(1)放电室是由玻璃或陶瓷等非金属组成板条状密封放电室，其功率的增大是通 过增大横向放电宽度来实现，与相同长度的普通封离式二氧化碳激光器相比，输出功率可 提高数倍甚至数十倍，与加长型玻璃管激光器或折叠型玻璃管激光器相比，结构更加紧凑， 体积更加小巧，谐振腔光学镜片数量少，从而可保证光路的稳定性和激光输出的稳定性和 可靠性，节约了成本。[0007](2)本实用新型采用的电极是普通玻璃管激光器的电极材料，而射频激励扩散冷 却板条激光器的放电电极为带水冷通道的金属电极，电极之间间距小，是光路传输的一个 波导结构，电极的加工精度要求和安装精度要求都非常高，所以本实用新型采用的电极结 构简单，安装方便，成本低廉。(3)本实用新型采用的放电电极可以位于放电室的前、后两端内，或者左、右两侧 内，电极可以设计成空心矩形电极，锯齿状空心矩形电极，分段片状电极、多针状电极、板状 电极、多针电极、多孔板电极、多针板电极等结构，从而保证大面积的均勻稳定放电。(4)射频激励扩散冷却板条激光器需要结构复杂，技术难度高，价格昂贵的射频电 源，而本实用新型的激光器所需要的电源可以采用普通的直流高压电源，结构简单。(5)射频激励扩散冷却板条激光器采用的条状非稳波导混合腔，即在一个方向是 非稳腔，另外一个方向是波导腔，而本实用新型采用是条状非稳腔，不存在波导损耗和波导 耦合损耗。(6)射频激励扩散冷却板条激光器的输出光束为条状光斑，光斑需要整形才能使 用，而本实用新型的输出光束可以为近似方形光束，不需要复杂的整形光路结构，可以直接 应用。(7)谐振腔镜片都附有水冷装置，而不是采用普通的方法——镜片和放电室内的 气体一起被冷却，这样的设计在保证输出大功率激光的前提下同时给镜片以良好的冷却。(8)放电室外面的水冷通道是一种外并联内串联组合的水冷通道，保证水流更加 通畅，不存在水流死角，使放电气体的冷却更加充分，从而很好地保证放电的稳定性和激光 输出的稳定性。(9)储气室备留充排气接头，方便多次冲排气，使激光器可以反复利用，而不象普 通的封离式玻璃管激光器那样用一次就报废，从而提高激光器的使用寿命。
图1为气体激光器的整体结构示意图。图2. 1,2. 2,2. 3,2. 4分别为一种放电室几种形状的横截面。图3. 1,3. 2,3. 3,3. 4为几种纵向放电的放电电极结构。图4. 1 4. 10为几种横向放电的电极结构示意图。图5. 1为凹凸侧面耦合输出的非稳腔结构示意图。图5. 2为凹凸中间耦合输出的非稳腔结构示意图。图6为水冷通道结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型作进一步的详细说明。如图1所示，本实用新型提供的气体激光器，包括放电腔体1、放电电极2、水冷通 道3、储气室4、尾镜端条状反射镜8，输出端条状反射镜9和全透输出镜10。放电腔体1由玻璃或陶瓷等非金属制作，所述放电电极2位于放电腔体1内的前、 后两端，或者左、右两侧，与电极接线5相连，电极接线5各自与外接的电源相连，该电源可 以采用普通的直流电源，而不必使用射频电源。水冷通道3分布在放电腔体1外侧，可以同 时冷却放电电极2所在区域；水冷通道3外设有储气室4，储气室4可以与放电腔体1和水
4冷通道3设计成一体结构，也可以设计成分体结构；储气室4上备留充排气接头12，方便多 次充排气，提高激光器的使用寿命；储气室4通过回气管6与放电腔体1相通，回气管可以 设置多根；尾镜端条状反射镜8和输出端条状反射镜9分别位于放电腔体1的前、后端外， 输出端条状反射镜9的中间或一侧留有通光孔(孔的形状可以是矩形、方形或圆形等)，全 透输出镜10位于通光孔处，并作为激光输出窗口。尾镜端条状反射镜8、输出端条状反射镜 9和全透输出镜10与放电腔体1共同构成一个密封的放电室。条状反射镜8，条状反射镜9和全透输出镜10组成激光谐振腔。每个镜片都带有 水冷套11 ；水冷通道3和水冷套11都有进出水口 7。根据激光谐振腔的需要，放电腔体1的具体形状可以是多种形状，可以是板条状 或类似的板条状，图2举例了其中几种，如矩形截面板条状结构(图2. 1)，中间窄、两侧宽的 发散状截面类板条结构(图2. 2)，中间宽、两侧窄的纺锤状截面类板条结构(图2. 3)，一侧 窄、另外一侧宽的梯形截面类板条结构(图2. 4)；除此以外，放电腔体1还可以是截面为非 圆形的其它类似形状。放电电极2位于放电腔体1的前、后两端内，或者左、右两侧内。当放电电极2位 于放电腔体1的前、后两端内，放电方向与出光方向一致，为纵向放电，如图1所示。为了提 高板条状密封放电腔体1的放电均勻性，放电电极2可以设计成多种结构，如图3所示，空 心矩形电极(图3. 1)，锯齿状空心矩形电极(图3. 2)，分段片状电极(图3. 3)、多针状电极 (图3. 4)等，以及它们的适当的弯曲、折叠等结构，本实用新型所需的两个放电电极可以由 上述电极的相同结构以及不同结构的各种组合构成。如采用分段片状电极和多针状电极， 则需要采用多个电极引线。当放电电极2位于放电腔体1的左、右两侧内，放电方向与出光方向垂直，为横向 放电，如4所示。具体电极结构可以采用板状电极14(图4. 1、图4. 2)、多针电极15(图 4. 3、图4. 4)、多孔板电极16 (图4. 5、图4. 6)、多针板电极17 (图4. 7、图4. 8)、空心矩形电 极18 (图4. 9、图4. 10)等结构以及它们的各种组合结构。本实用新型中，放电电极2采用的材料可以为普通玻璃管激光器的电极材料，不 需要射频激励扩散冷却板条激光器必须的带水冷通道的表面超精加工的金属电极。如采用 分段片状电极和多针状电极，则需要采用多个电极引线。本实用新型采用的谐振腔具体可以设计成为侧面耦合输出的双凹非稳腔结构 (图1)、侧面耦合输出的凹凸非稳腔结构(图5. 1)和中间侧面耦合输出的凹凸非稳腔结构 (图5. 2)等。当本实用新型采用的谐振腔为图1所示的双凹侧面耦合输出的非稳腔结构时，尾 镜端条状反射镜8为条状凹面反射镜，输出端条状反射镜9为条状凹面反射镜，全透输出镜 10位于输出端条状反射镜9的一侧，尾镜端条状反射镜8的曲率半径绝对值与输出端条状 反射镜9的曲率半径绝对值之和为谐振腔腔长的两倍。当本实用新型采用的谐振腔为图5. 1所示的侧面耦合输出的凹凸非稳腔结构时， 尾镜端条状反射镜8为条状凹面反射镜，输出端条状反射镜9为条状凸面反射镜，全透输出 镜10位于输出端条状反射镜9的一侧，尾镜端条状反射镜8的曲率半径绝对值减去输出端 条状反射镜9的曲率半径绝对值后所得的值为谐振腔腔长的两倍。当本实用新型采用的谐振腔为图5. 2所示的中间耦合输出的凹凸非稳腔结构时，尾镜端条状反射镜8为条状凹面反射镜，输出端条状反射镜9为条状凸面反射镜，全透输出 镜10位于输出端条状反射镜9的中间，尾镜端条状反射镜8的曲率半径绝对值减去输出端 条状反射镜9的曲率半径绝对值后所得的值为谐振腔腔长的两倍。本实用新型采用的尾镜端条状反射镜8和输出端条状反射镜9的凹面或凸面可以 是球面，也可以是柱面。每个镜片都带有水冷套11，且都有进出水口 7。本实用新型采用的谐振腔为条状非稳腔，一个方向是非稳腔，另外一个方向由于 间距较大，光束是自由传输，而不像扩散冷却板条激光器采用的非稳波导混合腔，不存在波 导损耗和波导耦合损耗，放电室不需要设计成为波导结构，所以放电室的结构设计要求低。 而本实用新型的输出光束可以为近似方形光束或圆形光束，不需要复杂的整形光路结构， 可以直接应用。如图6所示，为了提高放电室的冷却效果，水冷通道3设计成了截面积近似相等的 串联水道，使水流畅通并不留死角。如果放电室需要冷却的面积较大时，可以设计多个串联 水道，每个串联水道并联使用或独立供水。本实用新型也可以使用整体冷却的方式。以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应该局限于该实施例 和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都 落入本实用新型保护的范围。
权利要求一种气体激光器，包括放电室、放电电极(2)、水冷通道(3)和储气室(4)，水冷通道(3)分布在所述放电室外壁上，储气室(4)位于水冷通道(3)外，所述放电室与储气室(4)之间通过回气管(6)相通，其特征在于放电室为由放电腔体(1)、尾镜端条状反射镜(8)、输出端条状反射镜(9)和全透输出镜(10)共同构成一个密封的腔室，放电腔体(1)由非金属材料制成的板条状空心结构，尾镜端条状反射镜(8)和输出端条状反射镜(9)分别位于放电腔体(1)的前、后端外，输出端条状反射镜(9)的中间或一侧留有通光孔，全透输出镜(10)位于通光孔处，并作为激光输出窗口；放电电极(2)位于放电腔体(1)的前、后两端内，或者左、右两侧内。
2.根据权利要求1所述的气体激光器，其特征在于放电腔体(1)为板条状，其截面为 矩形，或者中间窄、两侧宽的发散状，或者中间宽、两侧窄的纺锤状，或者一侧窄、另外一侧 宽的梯形。
3.根据权利要求1所述的气体激光器，其特征在于当放电电极(2)位于放电腔体(1) 的前、后两端内时，放电电极(2)为空心矩形电极、锯齿状空心矩形电极、分段片状电极和 多针状电极中任一种或任几种的组合。
4.根据权利要求1所述的气体激光器，其特征在于当放电电极(2)位于放电腔体(1) 的左、右两侧内时，放电电极⑵为板状电极、多针电极、多孔板电极、多针板电极(17)和空 心矩形电极(18)中任一种或任几种的组合。
5.根据权利要求3或4所述的气体激光器，其特征在于放电电极(2)为弯曲或折叠状。
6.根据权利要求1所述的气体激光器，其特征在于尾镜端条状反射镜(8)为条状凹 面反射镜，输出端条状反射镜(9)为条状凹面反射镜，全透输出镜(10)位于输出端条状反 射镜(9)的一侧。尾镜端条状反射镜(8)的曲率半径绝对值与输出端条状反射镜(9)的曲 率半径绝对值之和为谐振腔腔长的两倍。
7.根据权利要求1所述的气体激光器，其特征在于尾镜端条状反射镜(8)为条状凹 面反射镜，输出端条状反射镜(9)为条状凸面反射镜，全透输出镜(10)位于输出端条状反 射镜(9)的一侧，尾镜端条状反射镜(8)的曲率半径绝对值减去输出端条状反射镜(9)的 曲率半径绝对值后所得的值为谐振腔腔长的两倍。
8.根据权利要求1所述的气体激光器，其特征在于尾镜端条状反射镜(8)为条状凹 面反射镜，输出端条状反射镜(9)为条状凸面反射镜，全透输出镜(10)位于输出端条状反 射镜(9)的中间，尾镜端条状反射镜(8)的曲率半径绝对值减去输出端条状反射镜(9)的 曲率半径绝对值后所得的值为谐振腔腔长的两倍。
9.根据权利要求1所述的气体激光器，其特征在于水冷通道(3)为一条或多条截面 积相等或近似相等的串联水道。
专利摘要本实用新型公开了一种气体激光器，包括放电室、放电电极、水冷通道和储气室，水冷通道分布在放电室外壁上，储气室位于水冷通道外，所述放电室与储气室之间通过回气管相通，放电室为由放电腔体、尾镜端条状反射镜、输出端条状反射镜和全透输出镜共同构成一个密封的腔室，放电腔体由非金属材料制成的板条状空心结构，尾镜端、输出端条状反射镜分别位于放电腔体前、后端外，输出端条状反射镜的中间或一侧留有通光孔，全透输出镜位于通光孔处，并作为激光输出窗口；放电电极位于放电腔体的前、后两端内，或者左、右两侧内。该激光器体积小，重量轻，结构简单，冷却系统的冷却效果好，输出功率高，激光光束稳定和模式好，可以应用于激光加工行业。
文档编号H01S3/034GK201667485SQ20102011943
公开日2010年12月8日 申请日期2010年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者唐霞辉, 张本, 彭浩, 李波, 柳娟, 王度, 秦应雄, 罗钦, 肖瑜, 邓前松 申请人:华中科技大学