專(zhuān)利名稱(chēng)：一種緊湊型氦氖激光器的構(gòu)建方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域，主要是采用橫截面為一十字形或一對(duì)稱(chēng)分布多十字形截面的放電管和射頻放電激勵(lì)來(lái)獲得較大氦氖激光輸出功率的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
一般的氦氖激光器是由圓形橫截面毛細(xì)管的氦氖氣體放電形成激光的。如，美國(guó)US-4429399號(hào)專(zhuān)利所說(shuō)的氦氖激光器就是一個(gè)例子。這種激光管結(jié)構(gòu)要提高激光輸出功率，必須增長(zhǎng)放電管長(zhǎng)度。當(dāng)放電管很長(zhǎng)時(shí)，使用很不方便。中國(guó)凌一鳴發(fā)明了由橫截面為矩形的放電管做成的氦氖激光器(發(fā)明專(zhuān)利審定號(hào)85100563)，使一米長(zhǎng)器件的激光輸出提高為圓截面管輸出的1.5倍，或更高一點(diǎn)。其缺點(diǎn)是管的矩形截面的長(zhǎng)邊不能太長(zhǎng)，太長(zhǎng)則放電不穩(wěn)定，同時(shí)長(zhǎng)邊太長(zhǎng)必將使用大尺寸的腔鏡，這也不方便。此外，射頻放電已廣泛使用于氣體放電激光器，并于20世紀(jì)七十年代就成功用于氦氖激光器(P.W.Smith，AppliedPhysics Letters，Vol.19，No.5 1971，132-134)，射頻放電為異型放電管放電帶來(lái)一定方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于構(gòu)建提供一種可以在較短放電管情況下獲得比同等長(zhǎng)度圓管、矩管輸出功率更大的氦氖激光器。
本發(fā)明所構(gòu)建提供的大功率氦氖激光器是由氦氖激光管、光學(xué)諧振腔以及激光器的射頻電源組成的氦氖激光器，其特征在于限制激活介質(zhì)的放電管的內(nèi)壁在垂直于放電管軸向的放電截面為一十字形或一對(duì)稱(chēng)分布多十字形截面，十字形截面的中心均在放電管的軸線(xiàn)上。每個(gè)十字形截面由兩個(gè)條形區(qū)組成，條形區(qū)的長(zhǎng)短兩維尺度之比以10∶1較為適中。這樣，利用短邊長(zhǎng)度來(lái)保證足夠的激光增益，利用適當(dāng)增加長(zhǎng)邊尺寸來(lái)提供較大的模體積，具有多十字形切面的放電管的模體積將是很大的，可以兼顧影響提高輸出功率的諸因素。因此，這種構(gòu)建方法提供的激光器與同樣放電長(zhǎng)度的圓截面或矩形截面放電管相比，其輸出功率要大得多，光斑面積也大得多。
本發(fā)明提供的氦氖激光器與現(xiàn)有氦氖激光器相比，具有輸出功率大、結(jié)構(gòu)極為緊湊，成本低，壽命長(zhǎng)，便于生產(chǎn)，便于使用等優(yōu)點(diǎn)?？晒┘す忉t(yī)療、激光生物、激光舞臺(tái)照明、激光信息記錄及處理等需求大功率氦氖激光的應(yīng)用場(chǎng)合使用。


圖1是這種構(gòu)建方法提供的氦氖激光器的示意圖，其中1為介質(zhì)膜全反射鏡，2為介質(zhì)膜部分反射鏡，也即為激光輸出鏡，3為石英或玻璃放電管，4為對(duì)稱(chēng)分布的雙十字形截面，5為石英或玻璃介質(zhì)條，它們把放電管隔成雙十字區(qū)，6為放電管的充排氣管，用于抽高真空和充氦、氖混合氣。7為用于射頻放電的金屬傳輸帶，8為用于調(diào)整放電均勻化的電感線(xiàn)圈，9為射頻電源，一般10-20MHz。圖2為放電管3的橫向剖面圖，圖中a表示十字形截面的一個(gè)條形區(qū)的短邊長(zhǎng)，b表示條形區(qū)的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度。圖3為圖1中石英或玻璃介質(zhì)條5的立體示意圖，其長(zhǎng)為l，比放電管稍短，高為h，h為放電管內(nèi)半徑減a/2之差，底為一柱面，橫切面兩邊的夾角為θ，當(dāng)僅一個(gè)十字時(shí)，θ＝90°，兩個(gè)十字時(shí)θ＝45°，N個(gè)十字時(shí)則θ＝360°/4N。圖4是為獲取圖3所示介質(zhì)條而畫(huà)的加工示意圖，是一個(gè)截面圖，虛線(xiàn)圓表示石英或玻璃圓棒，實(shí)線(xiàn)表示經(jīng)加工后保留的部分，即介質(zhì)條，弧S的曲率半徑與放電管3內(nèi)壁的曲率半徑相同。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的大功率氦氖激光器可以由如下方案實(shí)施。放電管3采用壁較厚、管直且內(nèi)徑均勻的圓形石英或玻璃管。取八根直徑與放電管3內(nèi)半徑相近的石英或玻璃棒，置于穩(wěn)定平臺(tái)上固定好，兩側(cè)以高度為h的定位方條將其夾緊，首先使用長(zhǎng)約20cm、正面為負(fù)柱面的低碳鋼磨具，負(fù)柱面曲率半徑與放電管內(nèi)半徑相同，用磨具配金剛砂將圓棒的一側(cè)磨為與管3內(nèi)徑相同的柱面，再將石英或玻璃棒轉(zhuǎn)90°，用膠將其底部與平臺(tái)暫時(shí)固定，再用另一長(zhǎng)約20cm具有夾角θ(應(yīng)略小)、深為h的低碳鋼V形槽配金剛砂將其磨成如圖3所示的條狀物，兩次加工后均需注意拋光。一般情況下數(shù)小時(shí)即可完全加工好一個(gè)長(zhǎng)約1m，高約12mm的石英或玻璃介質(zhì)條。用兩個(gè)對(duì)稱(chēng)雙十字形石墨支架將八根相同的介質(zhì)條固定于放電管3內(nèi)，將各個(gè)介質(zhì)條兩端分別點(diǎn)焊于管3內(nèi)壁(為焊接方便，事先將各介質(zhì)條的兩端外側(cè)磨去一部分，以便填石英或玻璃材料)，再在其余位置從外部對(duì)介質(zhì)條施以點(diǎn)焊。具有雙十字形對(duì)稱(chēng)分布截面的放電管可分工序批量加工、生產(chǎn)。雙十字形截面的四個(gè)條形區(qū)的長(zhǎng)短邊之比以10∶1較適中，這與凌一鳴發(fā)明的矩管器件的長(zhǎng)短邊之比為5∶1的情況接近，而本發(fā)明中的雙十字形截面管激活體積則可能達(dá)到矩管的八倍左右。雙十字形截面放電管加工好后，則用玻璃清洗液進(jìn)行清洗，然后用去離子水反復(fù)清洗，清洗好后將其烘干，再將反射鏡1、2按諧振腔要求封貼于放電管兩端，再將放電管的充排氣管與高真空系統(tǒng)連通，抽成高真空(10-6×133.3ρa(bǔ))后充氦、氖混合氣。激光器的諧振腔可根據(jù)對(duì)激光橫模、輸出功率、穩(wěn)定性等來(lái)選擇諧振腔的結(jié)構(gòu)、參數(shù)。射頻電源9的電極為兩個(gè)金屬傳輸帶7，當(dāng)放電管超過(guò)30cm長(zhǎng)時(shí)，一般考慮進(jìn)行分段射頻激勵(lì)較易獲得好的放電。
例如，用內(nèi)徑Φ30mm、壁厚1.5mm，長(zhǎng)1m的石英管一根，取八根直徑15mm、長(zhǎng)99cm的石英棒安于平臺(tái)上，用長(zhǎng)約20cm，曲率半徑為15mm的負(fù)柱面低碳鋼磨具配金剛砂將八根棒的一側(cè)對(duì)稱(chēng)地磨下去，使最高處磨去1.5mm，再用夾角為45°、深度為13.5mm的V型槽低碳鋼磨具配金剛砂磨另一側(cè)，即可加工出符合要求的八根介質(zhì)條，經(jīng)組裝點(diǎn)焊即可得到對(duì)稱(chēng)雙十字形橫切面的放電管，雙十字形切面的每個(gè)條形區(qū)寬為3mm，長(zhǎng)為30mm，光學(xué)諧振腔采用平凹球面內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，凹面全反鏡(反射率99.9％)曲率半徑3m，平面反射鏡透過(guò)率為1.5％，經(jīng)充排氣管6抽到高真空(10-6×133.3pa)后充0.8×133.3paHe、Ne混合氣，He與Ne的比例為7.5∶1，射頻電源分三段對(duì)放電管放電，射頻頻率取10-20MHz，總注入功率約400-500W，則可得到較大的0.6328μm激光輸出。
具有一十字形或一對(duì)稱(chēng)分布多十字形橫切面放電管氦氖激光器的裝置，包括放電管、全反射鏡、部分反射鏡、充排氣管、射頻電源、傳輸帶，電感線(xiàn)圈，參照附圖1，介質(zhì)膜全反射鏡1與放電管3的端口連接，介質(zhì)膜部分反射鏡2與放電管3的另一端口連接，充排氣管6與放電管3在離部分反射鏡2數(shù)厘處連接，傳輸帶7置于放電管的上下兩側(cè)，射頻電源9與傳輸帶7連接，電感線(xiàn)圈8連接于傳輸帶7之間，其特征在于放電管的橫切面為一個(gè)十字形截面或一對(duì)稱(chēng)分布的多十字形截面。本裝置的優(yōu)點(diǎn)是1.本裝置為組合式裝置，分散加工難度，可批量生產(chǎn)部件，批量組裝整臺(tái)激光器。
2.本裝置能提供較大的增益系數(shù)和很大的激活區(qū)，故可獲得較大氦氖激光功率輸出。
3.裝置極緊湊、便于使用、運(yùn)輸。
權(quán)利要求
1.一種由氦氖激光管、光學(xué)諧振腔及激光器射頻電源組成的氦氖激光器，特征在于限制氣體激活介質(zhì)的放電管(3)的內(nèi)壁在垂直于放電管軸向的放電橫切面是中心位于放電管軸線(xiàn)上的一十字形截面或一對(duì)稱(chēng)分布的多十字形截面，每個(gè)十字形截面可視為兩個(gè)條形區(qū)垂直相交而成，條形區(qū)的長(zhǎng)短兩維尺度之比以10∶1為適中。
2.按照權(quán)利要求1所述的氦氖激光器，其特征在于垂直于放電管(3)軸向的N個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的十字形截面是由4N個(gè)頂角為360°/4N、底部的曲率半徑等于放電管內(nèi)徑、高度為放電管內(nèi)半徑減去二分之一截面條形寬a的石英或玻璃介質(zhì)條(5)與放電管(3)組合而成的放電區(qū)的截面，其固定是由石英與石英或玻璃與玻璃材料間的點(diǎn)焊而成的，N為1或2或其它整數(shù)。
3.氦氖激光器裝置包括石英或玻璃放電管(3)、全反射鏡(1)、部分反射鏡(2)、充排氣管(6)、射頻電源(9)、金屬傳輸帶(7)、電感線(xiàn)圈(8)，全反射鏡(1)與放電管(3)的一端連接，部分反射鏡(2)與放電管(3)的另一端連接，充排氣管(6)在離部分反射鏡(2)數(shù)厘米處與放電管(3)連接，金屬傳輸帶(7)置于放電管(3)的上下側(cè)作射頻電源電極用，上下金屬傳輸帶(7)間與電感線(xiàn)圈(8)連接，射頻電源(9)與上下金屬傳輸帶(7)連接，其特征在于放電管(3)沿重直于放電管(3)軸向的切面是一個(gè)或N個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的十字形截面，每個(gè)十字形截面的中心位于放電管(3)的軸線(xiàn)上，這N個(gè)對(duì)稱(chēng)分布十字形截面是由4N個(gè)頂角為360°/4N、底部曲率半徑等于放電管內(nèi)徑、高為放電管(3)內(nèi)半徑減二分之一截面條形寬(a)的石英或玻璃介質(zhì)條(5)與放電管(3)組合而成的放電區(qū)的截面，每個(gè)十字形截面由兩個(gè)條形區(qū)垂直相交而成，條形區(qū)的長(zhǎng)短二維尺度之比以10∶1為適中，N為1或2或其它整數(shù)。
全文摘要
一種可獲得較大功率激光輸出的緊湊型氦氖激光器的構(gòu)建方法及其裝置，本發(fā)明采用橫截面為一十字形或一對(duì)稱(chēng)分布多十字形截面的放電管，利用射頻放電激勵(lì)氦、氖混合氣，使用兩鏡穩(wěn)定諧振腔，從而解決短激光管情況下獲得較大氦氖激光輸出問(wèn)題。裝置可供激光醫(yī)療、激光生物、激光舞臺(tái)照明和激光信息記錄及處理等場(chǎng)合使用。
文檔編號(hào)H01S3/03GK1710759SQ20041004000
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2004年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月16日
發(fā)明者李育德, 李征, 郭俊平, 劉靜倫, 陳梅, 匡一中, 楊元杰, 張力軍 申請(qǐng)人:四川大學(xué)