射频激励气体激光器的制作方法

射频激励气体激光器
1.优先权
2.本技术要求于2020年2月5日提交的美国临时专利申请序列号62/970475的优先权，其公开内容通过引用全部并入本文。
技术领域
3.本发明一般涉及二氧化碳(co2)和一氧化碳(co)气体激光器。本发明特别涉及射频(rf)激励的co2和co气体激光器，其具有限制射频激励气体的陶瓷组件。


背景技术：

4.co2激光器在工业过程中已经使用了几十年，其中co2激光器的红外(ir)波长和相对较高的功率是有利的。激光介质是co2气体混合物中的气体放电。气体混合物通常包括10％到20％的co2，并保持在低于一个大气压下。通过在两个电极之间施加电流或射频场，使混合气体通电以产生气体放电。co2激光器可以在约9微米(μm)到约11μm的范围内提供红外波长的输出激光辐射。最近，co激光器已商业化，其在约5.2μm到约6.0μm的范围内以较短的红外波长提供输出激光辐射。
5.气体激光器可以被配置为波导激光器或板激光器。在波导气体激光器中，气体放电是在较长且相对较窄的波导内建立的。激光谐振器通过位于波导两端的谐振器反射镜在通电气体混合物周围形成，该反射镜将激光辐射引导到纵向。窄波导在两个相互正交的横向方向上约束一个或多个激光辐射模式。在多次通过气体放电过程中，受激发射放大了激光辐射。co2和co波导激光器能够提供固有的高质量输出光束，具有良好的功率和波长稳定性，但平均功率相对较低。通常，平均功率小于约150瓦(w)。这种波导co2激光器在美国专利6192061和6788722中进行了描述，每项专利均由本发明的受让人所有，并通过引用将每项专利的完整公开内容并入本文。
6.在板气体激光器中，气体放电建立在两个紧密间隔电极的平面波导表面之间的体积内。通过两个谐振镜在通电气体混合物周围形成激光谐振腔。在一个横向方向上，两个电极之间的小间隙(“放电间隙”)限定约束激光辐射模式的波导。在正交横向上，谐振镜通常限定不稳定的激光谐振腔。激光辐射以近似准直光束的形式离开非稳定激光谐振器，穿过其中一个谐振器反射镜中的孔或穿过其中一个谐振器反射镜的外边缘。此类板co2激光器在美国专利6256332和7263116中进行了描述，每项专利均由本发明的受让人所有，并通过引用将每项专利的完整公开内容纳入本文。
7.板co2和co激光器能够以高达约8千瓦(kw)的平均功率输出光束。然而，输出光束固有地具有拉长的横截面。需要额外的光束调节光学元件将输出光束转换为更有用的横截面形状。例如，变成圆形。板co2激光器通常在脉冲模式下工作，提供具有高峰值功率的激光辐射脉冲。高功率波导或平板气体激光器需要水冷或强制风冷以去除废热。
8.图1a所示的波导气体激光器的一种早期配置将气体放电限制在夹在两个成形电极之间的玻璃管或陶瓷管中。另一种常见的波导结构，如图1b所示，将气体放电限制在加工
成夹在两个平面电极之间的矩形陶瓷板的通道中。在这两种配置中，可以使用反射镜折叠波导以增加气体放电体积，而不会显著增加激光器的总体尺寸。板气体激光器的类似配置如图1c所示。薄陶瓷板为气体提供扩散冷却，并使平板气体激光器的平均功率达到千瓦。本发明受让人拥有的美国专利申请2019/0280448(通过引用将其完整公开内容并入本文)描述了几种通过激光器外壳外表面传导冷却的高峰值功率板co2激光器的布置。
9.激光效率和对射频功率变化的响应取决于气体混合物中成分的精确浓度。在许多现代工业激光器中，激光器外壳是“密封的”，这意味着没有循环气体不断补充气体放电量。这种密封激光器更小、更简单，并且需要更少的维护。这些激光器在外壳内使用钝化金属；例如，由钝化铝制成的电极。金属表面上的稳定钝化层可防止激发的co2或co分子解离产生的原子和分子氧耗尽。否则，该氧气将在暴露表面上形成金属氧化物，从而降低气体混合物中的co2或co浓度。
10.在金属电极之间夹有陶瓷管或陶瓷板的上述配置的一个缺点是，它们之间的摩擦会从电极上去除钝化层。这种摩擦是由响应所施加射频功率变化的热膨胀和收缩差引起的。在co2激光器中，氧气和co2的消耗速度很慢，足以将退化的激光器性能视为一种滋扰，可以通过增加射频功率部分克服。然而，即使co气体混合物中co浓度发生约0.1％的微小变化，也会使co激光器失效。
11.需要一种工作寿命更长的密封气体激光器架构，同时不损害上述金属和陶瓷配置的优势。优选地，这种架构将增加最小的成本和复杂性。
12.发明概述
13.在一个方面中，根据本发明的射频激励气体激光器包括：容纳所述气体的外壳，沿纵轴伸长的第一电极；和第二电极，沿所述纵轴伸长并平行于所述第一电极。所述第一和第二电极位于所述外壳中并相互间隔距离d。电介质板位于所述第一和第二电极之间，当所述气体被射频场激发时，该电介质板限定增益体积。该电介质板具有平行于所述第一和第二电极的相对第一和第二表面。所述电介质板的第一表面通过第一间隙与所述第一电极基本分离，并且所述电介质板的第二表面通过第二间隙与所述第二电极基本分离。
14.在另一方面，根据本发明的射频激励气体激光器包括：容纳所述气体的外壳。中空电介质筒位于所述外壳中并沿纵轴取向。当所述气体被射频场激发时，所述电介质筒限定增益体积。所述增益体积为所述电介质筒的中空内部。第一电极具有与所述电介质筒的外表面同心的第一表面。第二电极具有与所述电介质筒的外表面同心的第二表面。所述第一和第二电极位于所述电介质筒的相对侧。所述第一表面通过第一间隙与所述外表面分离，并且所述第二表面通过第二间隙与所述外表面分离。
15.附图简述
16.并入并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施例，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施例的详细描述一起，用于解释本发明的原理。
17.图1a和1b是横截面图，示意性地说明了气体激光器的常见波导配置。
18.图1c是横截面图，示意性地说明了气体激光器的常见板配置。
19.图2是透视图，示意性地示出了现有技术co2或co板激光器的基本特征和功能。
20.图3是部分切除的透视图，示意性地示出了现有技术的co2或co板条激光器，包括定义矩形增益体积的陶瓷板(阴影)。
21.图4是部分切除的透视图，示意性地示出了现有技术的co2或co波导激光器，包括具有定义增益体积的通道的陶瓷板(阴影)。
22.图5是横截面图，通常在图4的方向5-5上看到，进一步说明了现有技术的co2或co波导激光器。
23.图6是横截面图，示意性地示出了根据本发明的射频激励co2或co板条激光器的一个优选实施例，包括作为外壳内表面的接地第一电极、带电(live)第二电极、位于其间并分别由第一和第二间隙隔开的电介质板以及用于保持电介质板对准的定位销。
24.图7是与图6相同横截面的放大图，示意性地示出了用于创建第一和第二间隙的精密球、用于固定电介质板的定位块(registration block)、用于固定绝缘棒的定位销以及用于提供受控力和电气连接的弹簧。
25.图8a和8b是与图6和7不同横截面的放大图，示意性地说明了用于防止寄生放电的绝缘棒和用于固定感应器组件的定位销的示例。
26.图9是图6-8b的本发明的板激光器的横截面平面图，示意性地说明了精密球、定位块和定位销的示例性位置。
27.图10是横截面图，示意性地示出了根据本发明的射频激励co2或共波导激光器的一个优选实施例，包括第一和第二电极以及位于其间并分别由第一和第二间隙隔开的中空电介质筒(dielectric cylinder)。
28.发明详述
29.现在参照附图，其中类似部件由类似数字指定，图2是透视图，示意性地说明了现有技术平板co2或co激光器10的基本特征和功能。板激光器10的配置如图1c所示，并且包括平行的上下电极12和14，其形状为矩形。电极12和14由陶瓷板16隔开，从而在它们之间限定放电间隙。陶瓷板16通过对角阴影突出显示。
30.放电间隙位于由两个凹面谐振器反射镜18和20形成的非稳定谐振器中。rf电源22与上电极12电连接。下电极14接地。通常，电极位于包含气体混合物的气密外壳(未显示)内。co2和co激光器的气体混合物在本领域是众所周知的。成分气体和压力可能根据制造商的偏好而变化，通常是专有的。
31.当上电极12施加rf功率以使气体混合物通电时，在放电间隙中产生气体放电，从而在谐振器中提供光学增益。加工成陶瓷板16的中空限制激发气体，从而限定增益体积。如虚线所示，激光辐射24在谐振器中循环，并通过光学增益逐渐放大。放大的激光辐射照亮谐振器反射镜18和20。其中一部分溢出谐振器，经过谐振器反射镜18，作为输出激光辐射26。输出激光辐射26形成具有矩形横截面的扩展光束。可选光束调节光学器件28可以将光束转换为更有用的形式，例如具有圆形横截面的准直光束30。光束调节光学元件通常位于气密外壳外部。
32.图3是部分切除的透视图，示意性地示出了板激光器10的示例。气密外壳包括中空金属挤压件40，部分切除以示出内部组件及其在激光器中的布置。挤压件40电气接地。挤压件两端的端板(图中未描绘)密封激光器外壳。每个端板包含一个谐振器反射镜。
33.挤压件40的内表面42为板激光器10提供接地电极。另一个具有下表面46的带电电极44位于挤压件40内。接地表面42和带电表面46沿挤压件的长度延伸。带电表面46通过陶瓷板16与接地表面42隔开。陶瓷板中的中空限定增益体积的宽度和高度。
34.一对陶瓷绝缘棒48将带电电极44与接地挤压件40电隔离。绝缘棒48还支撑感应器组件50，感应器组件50包括多个感应器，以使整个增益体积内的气体放电均匀。电馈通52将射频电源的射频功率连接到带电电极44。馈通52与带电电极44电连接，并与接地挤压件40电隔离。感应器组件50通过弹簧条54与挤压件40电连接，从而形成完整的并联谐振电路。弹簧条54和绝缘棒48协同将带电电极44、陶瓷板16和感应器组件50保持在挤出内的适当位置。需要非常强大的弹簧条，施加较大的夹紧力，以固定所有这些部件。夹紧力必须足以通过制造、搬运和运输板激光器将这些部件精确固定到位。
35.图4是部分切除的透视图，示意性地示出了现有技术波导co2或co激光器60。图5是波导激光器60的横截面端视图，其被折叠，具有图1b所示的配置。波导激光器60类似于板激光器10，但其通道62加工到限定波导的陶瓷板64中。此处的通道62横截面为矩形，具有锐角。这些通道也可具有圆角或横截面为圆形。否则，挤压件40内的零件布置相同。谐振器由两个谐振器反射镜和两个折叠反射镜组成，这些反射镜合并到端板中(图纸中未描述)。一个谐振镜在激光辐射波长处具有高反射性。另一个谐振器反射镜部分反射，允许输出激光辐射耦合出谐振器。
36.图6是示意性地示出根据本发明的射频激励气体激光器80的一个实施例的横截面端视图。气体激光器80包括容纳气体的外壳82。这里，外壳82是中空金属挤压件的形式。外壳82内表面形式的第一电极84沿气体激光器的纵轴(垂直于图纸平面)拉长。第二电极86沿纵轴伸长，并与第一电极平行。具有加工通道90的电介质板88位于第一和第二电极之间。通道90沿电介质板88的全长延伸，并被布置成形成折叠波导。通道90限定气体被射频场激发时的增益体积。第一电极、电介质板和第二电极位于外壳内，因此浸入气体中。
37.电介质板88具有平行于第一和第二电极的第一表面92和相对的第二表面94。第一表面92与第一电极84分离第一间隙，并且第二表面94与第二电极86分离第二间隙。第一和第二间隙由精密球96创建和保持，精密球96位于穿过电介质板88的孔中，该电介质板88的直径略大于精密球。每个精密球96与两个电极接触，因此精密球由电绝缘材料制成。选择精密球96的直径以实现第一和第二间隙的分离距离的期望总和。如图所示，可选凹槽可加工到第二电极86中，以精确设置这些分离。或者，可以将凹槽加工到外壳82中，或者可以将互补凹槽加工到第二电极和外壳中。因此，电介质板88在两个电极之间“浮动”，并且与之没有机械接触。
38.气体激光器80的有效工作在很大程度上取决于保持电介质板88相对于谐振镜和折叠镜的精确对准。通过压缩定位块98和连接到外壳82相对内表面的预加载弹簧组件100之间的电介质板88来保持横向对准，每个定位块98与弹簧组件100配对。需要至少两对来将电介质板固定在外壳内，从而相对于镜子定位电介质板。优选地，这些对靠近电介质板的每一端。电介质板可通过位于其之间的额外定位块和/或弹簧组件进一步固定。
39.通过定位销102保持电介质板88的纵向对准，定位销102位于穿过电介质板的孔中以及每个电极中的相应盲孔中。需要至少一个定位销102来将电介质板相对于外壳牢固地定位。
40.第二电极86通过定位销102固定在水平横轴(图纸)和纵轴上。为了便于描述，本文使用了诸如“水平”和“垂直”等术语，但并不意味着限制气体激光器在操作中的空间方向。需要至少两个定位销102来机械地将第二电极86约束在电介质板88和外壳82上。优选地，定
位销102将由电绝缘材料制成。优选地，这些定位销相对于第二电极86的长度被广泛分离。第二电极可以由位于其间的附加定位销进一步固定。
41.感应器组件104、一对绝缘棒106和第二电极86通过弹簧108提供的压缩力固定在(图纸的)垂直横轴上。绝缘棒106通过对角阴影突出显示。图7是放大图，其横截面与图6相同，图示了气体激光器80中这些部件的细节。位于气体激光器80的每个水平侧面上的弹簧108将这些部件推到精密球96上。第一电极84和第二电极86相互间隔距离d，第一表面92与第一电极84分离第一间隙d1，并且第二表面94与第二电极86分离第二间隙d2。
42.这些分离在并行电极之间的整个体积内是均匀的。优选地，第一间隙至少为0.001d(d的0.1％)，并且第二间隙也至少为0.001d。更优选地，第一间隙至少为0.0025d(d的0.25％)，并且第二间隙也至少为0.0025d。第一和第二间隙中每一个的实际上限约为0.15d(d的15％)。电极之间的距离d通常在约2mm至约6mm的范围内。直径规定公差为2.5μm或更小的精密球96将实现足够的均匀性。由电绝缘材料(如陶瓷)制成的精密球在市场上可以买到。例如来自康涅狄格州西哈特福德的ccr products llc。
43.这里，弹簧108是指杆弹簧，沿感应器组件、绝缘棒和第二电极的长度纵向延伸。此类指座弹簧提供单位长度的受控力，并在外壳82和感应器组件104之间提供电气连接。如图所示，可在感应器组件中加工可选形状的凹槽，以帮助将指座弹簧固定在感应器组件中。fingerstock弹簧作为目录项在市场上出售，具有不同的横截面形状，由不同的材料制成。
44.绝缘棒106通过定位销110固定在水平横轴和纵轴上，定位销110位于穿过第二电极86的孔中以及每个绝缘棒106中的相应盲孔中。定位销110位于电介质板88的第二表面94上。或者，定位销110可以位于第二电极86和绝缘棒106中的盲孔中。需要至少两个定位销110来相对于第二电极86机械地约束每个绝缘棒106。这些定位销最好朝向每个绝缘棒的端部。绝缘棒可通过位于其间的附加定位销进一步固定。
45.图8a是与图6和7不同横截面的气体激光器80的另一个放大图。感应器组件104通过定位销112固定在水平横轴和纵轴上，定位销112位于绝缘棒106中的盲孔和感应器组件中的相应盲孔内。优选地，定位销112朝向每个绝缘棒的端部。感应器组件可通过位于其间的附加定位销进一步固定。
46.绝缘棒106沿着其大部分长度延伸到第二电极86和外壳82之间的体积v(由虚线表示)。将绝缘棒延伸到体积v中会增加阈值电势，以在第二电极和外壳之间产生不需要的寄生放电。在气体激光器80中，第一间隙d1和第二间隙d2之间的电容需要更高的外加射频功率，以在增益体积中触发放电，并将给定功率耦合到其中的气体等离子体中。延长绝缘棒可以减轻寄生放电，否则寄生放电可能会受到更高射频功率的冲击。
47.图8b是气体激光器80的放大图，其横截面与图8a相同，但示意性地示出了绝缘棒106的另一示例，该绝缘棒106被发现在防止寄生放电方面更有效。图8b的绝缘棒占据了第二电极和外壳之间体积v的大部分。然而，绝缘棒106仍然与外壳82和第二电极86分离。避免绝缘棒与外壳和第二电极的金属表面之间的物理接触可防止金属表面摩擦，从而防止气体混合物中的氧气耗尽。
48.包括第一电极84的外壳82和第二电极86优先由钝化金属制成。例如，由自钝化铝合金或阳极氧化铝合金制成。电介质板88优选由具有相对较高导热性的陶瓷材料制成。例如，由氮化铝(aln)、氧化铝(al2o3)或氧化铍(beo)制成。绝缘棒106和定位销102也优选由陶
瓷材料制成。实际上，电介质板88、绝缘棒106、精密球96和定位销102都可以由相同的陶瓷材料制成，例如氧化铝。
49.图9是气体激光器80的横截面平面图，示意性地示出了定位块98、弹簧组件100、精密球96和定位销102相对于电介质板88的示例性位置。在所示示例中，八个精密球96位于分布在电介质板上的孔(开口圆)中，以确保第一间隙d1和第二间隙d2均匀。两个定位销102位于沿电介质板长度广泛分离的孔(阴影圆)中。四个定位销110位于电介质板88的第二表面94上，位于填充圆所示的示例性位置。捕获在绝缘棒106和电感器组件104内的四个定位销112接近由对角叉指示的示例性位置。
50.与现有技术气体激光器相比，本发明气体激光器在电介质板和每个电极之间具有小间隙，其优点在于电介质板的表面不能从电极表面刮去钝化层。每个电极与每个精密球只有一个接触点。由于电介质板和电极的表面由于热膨胀和收缩差而相互移动，精密球基本上是轴承，在电极的钝化表面上滚动，刮擦最小。
51.本发明气体激光器的另一个优点是感应器组件104、绝缘棒106、，第二电极86通过定位销110和定位销112固定在两个轴上。这些部件通过弹簧108提供的相对适度的压缩力固定在另一个轴上。现有技术设计依靠相互接触的表面之间的静摩擦来固定这些部件，因此需要更大的压缩力。减小该压缩力可防止精密球使电极变形，并将精密球与电极之间的摩擦降至最低。
52.在本发明的气体激光器中，压缩力必须足以将部件固定到位，并防止介质板由于机械冲击和振动而相对于谐振器反射镜移动。举例来说，在本发明激光器的不同布置中测量的压缩力在65牛顿(n)和105牛顿之间。在同等的现有技术布置中，所需的压缩力测量值在525n和1050n之间。
53.由于电介质板表面和电极之间的摩擦减少，因此固定本发明激光器组件所需的相对适度的压缩力使实施例能够在电介质板表面和电极之间具有一些接触。上述气体激光器80没有这种接触，基本上消除了电极表面钝化层的刮擦。然而，实施例中电介质板通过间隙与每个电极基本分离，可以充分降低气体混合物中成分的消耗率，以达到预期的工作寿命。在此，“实质上分离”是指电介质板和电极的至少75％相互面对的表面不接触，更高的分数将进一步降低损耗率。至少85％的分数更优选，并且至少95％的分数甚至更优选。
54.发明人制造并测试了具有图6-8所示折叠波导结构的发明气体激光器。间隙距离d1和d2约为50μm。外壳是密封的，并含有co气体混合物。在模拟此类激光器典型工业使用条件的延长时间内，周期性地打开和关闭本发明测试激光器的功率。本发明的测试激光器在没有任何气体置换的情况下将平均功率保持在目标最小值以上。另一种具有同等现有技术布置的测试激光器需要在相同时间和相同条件下重新填充两次气体，以保持相同的目标平均功率。
55.如上所述，本发明气体激光器具有图1b的波导结构。本发明的气体激光器也可以具有图1c的板状结构。加工到气体激光器80的电介质板88中的通道90将被横向延伸的中空所取代，当气体被射频场激发时，该中空限定增益体积。精密球96和定位销102将位于电介质板88内，但在中空的外部，以便不中断通过其中增益体积循环的激光辐射。
56.本发明的气体激光器也可以具有图1a的波导结构。图10是示意性地示出根据本发明的射频激励气体激光器120的另一实施例的横截面端视图。中空电介质筒122沿气体激光
器120的纵轴取向，并在气体被rf场激发时限定增益体积。增益体积是电介质筒122的中空内部。
57.电介质筒122的外表面与第一电极124的第一表面134和第二电极126的第二表面136同心。第一和第二电极位于电介质筒的相对侧。第一表面134和第二表面136由直径d隔开。第一表面与电介质筒122的外表面分离第一间隙d3。第二表面与电介质圆筒122的外表面分离第二间隙d4。这些小间隙是由精密棒128形成的，精密棒128位于加工到电介质筒和电极中的纵向槽中。选择精密棒128的直径以实现所需的间隙d3和d4。优选地，间隙d3和d4至少为0.001d。更优选地，间隙d3和d4至少为0.0025d。棒由介电材料制成，优选陶瓷材料。
58.尽管此处提出的实施例在谐振器布置内，其包括谐振器反射镜，用于在通过增益体积的多个过程中渐进放大激光辐射，但本发明的原理也可应用于放大器布置。在主振荡器功率放大器(mopa)布置中，主振荡器是激光谐振器，向功率放大器提供激光辐射以进一步放大。功率放大器可以包括包含射频激励co2或co气体混合物的增益体积，用于缩放引导通过其中的激光辐射的脉冲能量和平均功率。
59.上文根据优选实施例和其他实施例描述了本发明。然而，本发明不限于本文描述和描绘的实施例。相反，本发明仅受所附权利要求的限制。