專利名稱：一種氦氖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體激光器的構(gòu)建技術(shù)，特別是涉及波長為632.8納米的圓筒形放電區(qū)(增益區(qū))的氦氖(He-Ne)激光器。
氦氖激光器是最早實現(xiàn)連續(xù)波運行的器件之一，光束發(fā)散角一般能達到衍射極限，相干長度是氣體激光器中最長的，輸出光為紅光，具有良好的相干性，高光束質(zhì)量等特點，在精密計量、準直、導(dǎo)航、全息照相、條形碼掃描、激光生物、激光醫(yī)學(xué)等方面有廣泛用途。如在農(nóng)業(yè)培育良種方面，我國在世界上具有較高水平。并在激光育種方面進行了大量工作，據(jù)文獻“陳震古，農(nóng)業(yè)激光生物效應(yīng)與激光參量，光電子技術(shù)與信息，1995，Vol.8，No.61～6”，對國內(nèi)自八十年代以來發(fā)表的近300篇研究報告分析，在農(nóng)業(yè)激光生物效應(yīng)中，最重要的參數(shù)是波長和劑量，利用的激光器不少于十五種，而氦氖激光使用率約為40％，通過激光誘導(dǎo)水稻細胞染色體畸變變異幅度的研究，誘變效果以氦氖激光最好，育成的三十八個農(nóng)作物品種中，氦氖激光培育的占25.7％。實驗表明，激光生物效應(yīng)不僅對劑量有要求，而且對功率有大的需求，可見提高激光功率對滿足光生物效應(yīng)的大劑量或大劑量、大功率要求意義重大。在激光醫(yī)療方面，氦氖激光器是重要醫(yī)療器件之一。在醫(yī)治大面積創(chuàng)傷、潰爛等方面需要大功率氦氖激光。在激光治癌方面，大功率氦氖激光更有重要地位。由于常規(guī)氦氖激光器輸出功率小，故常采用多臺激光器的組合系統(tǒng)，以滿足對大功率的要求。
多年來，提高氦氖激光器輸出功率和壓縮器件體積是其發(fā)展的重要方向之一。1993年，國防科技大學(xué)環(huán)形激光研究室研制的射頻激勵超小型氦氖激光器，其腔長125毫米，波長632.8nm，激光輸出0.64毫瓦，電源尺寸為60×60×20(毫米)3(光電子技術(shù)與信息，1993，No.64)，1996年研制的新型高功率TEMOO模氦氖激光器，為封離式，其腔長630毫米，波長為632.8nm，基模輸出也只24毫瓦(中國激光，1996，Vol.A23，No.4380)，這些激光器放電管長均在1米以內(nèi)，其輸出功率具有代表性水平。由于氦氖激光器的轉(zhuǎn)換效率低，較短的圓形或矩形管器件輸出功率不會很高，至今未見到此類器件放電管在1米長以內(nèi)其輸出超過100毫瓦的報道。如何使氦氖激光器在較短器件情況大幅度提高其輸出功率，是我們研究的課題。
本發(fā)明的目的正是針對上述氦氖激光器所存在的缺陷，提供一種由射頻電源、匹配電路、提供放電增益區(qū)的圓筒形放電室及兩個環(huán)形球面反射鏡構(gòu)成的多程環(huán)形腔(諧振腔)等構(gòu)建的氦氖激光器，該氦氖激光器放電區(qū)體積比現(xiàn)有氦氖激光器放電區(qū)體積大得多，圓筒形結(jié)構(gòu)又可保證增益區(qū)有足夠高的增益系數(shù)，故可大幅度提高氦氖激光器的輸出功率，且單色性好，模式可調(diào)整。
本發(fā)明的目的是采取以下措施實現(xiàn)的放電激勵采用射頻電源，其頻率設(shè)置為10MHHz—300MHz，功率為500W—1000W，射頻電源與放電區(qū)(增益區(qū))的匹配電路由可調(diào)電容和匹配電感組成容感電路，匹配電路經(jīng)調(diào)整可使在氣體放電前加在電極間的電壓極高，從而易于氣體擊穿放電。氣體放電后再經(jīng)調(diào)整，可使負載阻抗與射頻電源匹配，將射頻功率有效地輸入放電區(qū)。又由于圓筒放電區(qū)兩電極的對稱性，可避免類似弧光放電的現(xiàn)象出現(xiàn)。
采用橫截面為環(huán)形的圓筒形放電區(qū)(增益區(qū))結(jié)構(gòu)，提供放電增益區(qū)的放電室由內(nèi)外兩層圓石英管(熱膨脹系數(shù)極小)、構(gòu)成諧振腔的兩個低損耗且易于調(diào)整的環(huán)形球面反射鏡以及這兩個環(huán)形球面反射鏡的兩個調(diào)整架封裝而成，放電室的內(nèi)外圓管電極位于放電室外面并分別貼近內(nèi)外層圓石英管。由于放電室的密封封裝，保證了氣密性、清潔度、真空度，并避免調(diào)整架對放電區(qū)放電的干擾，放電室使用前進行去氣處理。
諧振腔采用低損耗且易調(diào)整的兩環(huán)形球面反射鏡構(gòu)成為多程環(huán)形腔，這樣可使腔內(nèi)傳播光束占用很大部分激活區(qū)。在諧振腔一端的環(huán)形球面反射鏡面上的局部位置處鍍有具一定透過率的半反射膜形成輸出耦合，兩環(huán)形球面反射鏡面其余部分均為全反射面。
環(huán)形球面反射鏡采用光學(xué)玻璃，背面應(yīng)拋光并與正面保持平行或確切夾角，以便諧振腔的調(diào)整監(jiān)測。
此外，還可以改變圓筒形放電區(qū)內(nèi)外圓石英管直徑大小以改變放電區(qū)經(jīng)向?qū)挾龋蓳Q用不同曲率半徑的環(huán)形球面反射鏡和調(diào)整諧振腔(多程環(huán)形腔)長度來改變腔參數(shù)，以構(gòu)建不同功率、不同模式的激光器件。
附圖
為本發(fā)明氦氖激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的工作過程及實施例作進一步說明。
附圖中，1為射頻電源，2為傳輸射頻電源功率的同軸傳輸線、3為射頻電源與圓筒形放電區(qū)(增益區(qū))8的匹配電路，4為內(nèi)圓管電極、5為外圓管電極、6和7分別為放電室內(nèi)外層圓石英管、9和10為兩個曲率半徑均為ρ的環(huán)形球面反射鏡、11為局部半反射膜(對激光仍有可達95％左右的反射率)、d為兩環(huán)形球面反射鏡間間距、12、13為諧振腔的兩個調(diào)整架，C為可調(diào)電容，L為匹配電感。
射頻電源1輸出的功率由同軸傳輸線2傳送到匹配電路3，由匹配電路3再送到兩內(nèi)外圓管電極4和5，經(jīng)可調(diào)電容C調(diào)整并與匹配電感L組合，這樣將較高的電壓加于電極上，待放電區(qū)8的低壓氦氖混合氣體放電后再調(diào)整C，而使包括放電區(qū)在內(nèi)的負載阻抗變換到與射頻電源輸出阻抗(一般為50Ω)接近，以免射頻場的反射而將其功率有效地注入放電區(qū)8。
設(shè)光線(從光線族的角度看，形成激光的光線族為諧振腔的本征光線族)始于放電區(qū)8內(nèi)任一點并首先到達環(huán)形球面反射鏡9，光線經(jīng)環(huán)形球面反射鏡9反射后再經(jīng)放電增益區(qū)8又到達環(huán)形球面反射鏡10，經(jīng)環(huán)形球面反射鏡10反射后再經(jīng)放電增益區(qū)8到達環(huán)形球面反射鏡9，當(dāng)兩環(huán)形球面反射鏡9、10的曲率半徑和兩鏡間間距d滿足穩(wěn)定條件要求時，即滿足公式0<1-dρ<1······(1)]]>時，本征光線族在兩鏡間無休止地反射并穿越增益區(qū)，以形成激光，當(dāng)光經(jīng)過半反射膜11處時，將有部分透射而得到激光輸出。從光束傳播來看，我們將此二環(huán)形球面反射鏡構(gòu)成的諧振腔設(shè)計成多程環(huán)形腔，當(dāng)為N程時，則光束在兩鏡間經(jīng)過 個往返后將回到它初始位置并保持其初始的傳播方向，構(gòu)成此N程環(huán)形腔的N個小反射鏡面(作為輸出耦合的局部半反射膜11是其中一個)分別位于兩環(huán)形球面反射鏡9、10的反射面，各有 個，且其曲率半徑也就是環(huán)形球面反射鏡的曲率半徑，并且相鄰小反射鏡面相互重疊而實際成為兩個完整的環(huán)形球面反射鏡面，即環(huán)形球面反射鏡面9、10。這樣一來，諧振腔內(nèi)光來回傳播的光束能夠占據(jù)絕大部分增益區(qū)，光束在鏡面處的光斑能交疊，可以認為此時兩環(huán)形球面反射鏡也得到了全部利用，并稱環(huán)形球面反射鏡9、10構(gòu)成了全環(huán)形鏡面利用的多程環(huán)形腔，此時環(huán)形腔的程數(shù)N滿足公式Nθ＝2μπ……(2)，(2)式中 N、μ為使(2)式滿足的整數(shù)，θ的選取則保證光束能順利通過放電區(qū)而不被放電管壁阻礙及光束的鏡面光斑部分重疊。輸出激光的橫模已不同于普通激光腔得到的模式，它將因N、θ、μ而變化并具有環(huán)形腔光束輸出特征，它一般由兩束方向極為靠近的光束合并輸出，可通過N、θ、μ的設(shè)計或調(diào)整來控制輸出模式，為簡單方便，一般應(yīng)取μ＝1。
圓筒形的放電區(qū)充入低壓氦氖混合氣，并根據(jù)激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整合適配氣比和總壓力，以使獲得最佳輸出。當(dāng)考慮抑制3.39μm波參與振蕩的情況時，應(yīng)對放電區(qū)長度限制為1米以內(nèi)最好，根據(jù)矩形放電管氦氖激光器的研究，1米長的放電區(qū)一般可由玻璃基底諧振腔球面反射鏡9、10的窄帶反射膜克服3.39μm波的寄生振蕩，并將具有輸出耦合面的環(huán)形球面反射鏡9采用較厚的玻璃基片作成，因為玻璃對波長為3.39μm的波長有較強吸收，可以最終防止該3.39μm光波的輸出。
本發(fā)明的放電區(qū)增益系數(shù)與矩形放電管接近，放電室的內(nèi)外層圓石英管6、7一般應(yīng)選擇在1米長左右為宜。將1米長圓筒形增益區(qū)徑向?qū)挾榷?.5毫米、3.5毫米、5毫米，當(dāng)采用3.5毫米觀察激光輸出同各參數(shù)的關(guān)系，此寬度有可兼顧調(diào)整、增益、衍射損耗限制的要求，2.5毫米寬度有利于增益、但調(diào)整難、衍射損耗稍大，而5毫米寬度有利于調(diào)整、衍射損耗小，但增益低一些。
本發(fā)明激光輸出模式、光束橫向光強分布的檢測采用CCD法(經(jīng)衰減)，并根據(jù)不同位置處光班尺寸確定發(fā)散角。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點1.本發(fā)明比同樣長度的單管(圓形或矩形)氦氖激光器高一個量級以上的輸出功率，或者說，在同一輸出水平情況可將單管氦氖激光器管長壓縮一個量級以上。
2.本發(fā)明1米長的器件功率可達瓦級輸出。
3.本發(fā)明不僅輸出功率大，且單色性好，模式可調(diào)整，從而使激光生物、激光醫(yī)學(xué)、全息照相、測量及干涉等方面的研究可在大功率條件下進行而獲推進。
權(quán)利要求
1.一種氦氖(He-Ne)激光器，它主要由電源、提供放電區(qū)(增益區(qū))的放電室、諧振腔及調(diào)整架等器件組成，其特征在于a)放電激勵采用射頻電源(1)、射頻電源(1)與放電區(qū)(增益區(qū))(8)的匹配電路(3)由可調(diào)電容(C)和匹配電感(L)構(gòu)成。b)放電增益區(qū)(8)則采用橫截面為環(huán)形的圓筒形區(qū)結(jié)構(gòu)，提供放電增益區(qū)的放電室由內(nèi)外兩層圓石英管(熱膨脹系數(shù)極小)(6)和(7)、兩個低損耗且易調(diào)整的構(gòu)成諧振腔的環(huán)形球面反射鏡(9)和(10)及這兩個環(huán)形球面反射鏡的調(diào)整架(12)、(13)封裝而成，放電室的內(nèi)外圓管電極(4)、(5)均位于放電室外面并分別貼近內(nèi)外層圓石英管(6)、(7)。c)諧振腔采用的兩個低損耗且易調(diào)整的環(huán)形球面反射鏡(9)、(10)構(gòu)成為多程環(huán)形腔。
2.按照權(quán)利要求1所說的氦氖(He-Ne)激光器，其特征在于在多程環(huán)形腔一端的環(huán)形球面反射鏡面(9)上的局部位置處鍍有具一定透過率的半反射膜(11)，并形成輸出耦合，兩環(huán)形球面反射鏡面其余部分均為全反射面。
3.按照權(quán)利要求1或2所說的氦氖(He-Ne)激光器，其特征在于還可以改變圓筒形放電區(qū)內(nèi)外圓石英管直徑大小以改變放電區(qū)徑向?qū)挾龋蓳Q用不同曲率半徑的環(huán)形球面反射鏡和調(diào)整多程環(huán)形腔長度來改變腔參數(shù)，以構(gòu)建不同功率、不同模式的激光器件。
全文摘要
本發(fā)明是一種波長為632.8納米、放電區(qū)為圓筒形的氦氖激光器。它的放電激勵采用射頻電源,射頻電源與圓筒形放電區(qū)的匹配電路由可調(diào)電容和電感組成,放電室由內(nèi)外兩層圓石英管、兩個環(huán)形球面反射鏡及諧振腔的兩個調(diào)整架封裝而成。諧振腔采用低損耗且易調(diào)整的兩環(huán)形球面反射鏡構(gòu)成多程環(huán)形腔。本發(fā)明比同樣長度的單管(圓形或矩形管)氦氖激光器高一個量級以上的輸出功率,且單色性好,模式可調(diào)整,故使激光生物、激光醫(yī)學(xué)、全息照相等方面的研究可在大功率條件下進行而獲推進。
文檔編號H01S3/00GK1340889SQ00113149
公開日2002年3月20日 申請日期2000年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月1日
發(fā)明者李育德, 陳梅 申請人:四川大學(xué)