專(zhuān)利名稱(chēng)：金屬放電管二氧化碳激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用金屬做放電管的封離式二氧化碳(CO2)激光器。
眾所周知，封離式CO2激光器其功率水平遠(yuǎn)低于流動(dòng)型的功率水平，其重要原因就是放電二氧化碳的分解，多年來(lái)人們致力于CO2的催化復(fù)原，不過(guò)采用的結(jié)構(gòu)都是將催化裝置放在放電通道之外，這樣，二氧化碳放電分解出的氧原子，要通過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間才能來(lái)到催化部位，由于氧原子特別是激發(fā)態(tài)壽命很短(ms級(jí))很快變成氧分子或其他氧化物而失去與一氧化碳在催化劑表面的活性，因此這種結(jié)構(gòu)盡管有效果卻不夠理想。1989年發(fā)明人Macken提出一種稱(chēng)為分部催化的結(jié)構(gòu)，就是將催化劑涂在激光器放電管的內(nèi)壁形成一層催化膜，它可以將放電分解的氧原子與一氧化碳就地在催化膜上反應(yīng)生成二氧化碳，因此使封離式二氧化碳激光器達(dá)到了縱向流動(dòng)型激光器的水平(122瓦/米)。(IEEE J.Q.E.Vol.25 No.7,1989，“CO2laser performance with a distributedgold catalyst”.J.A.Macken et a1.)，但為了克服催化膜對(duì)放電的破壞作用，他們采用了濺射成膜及膜分割等結(jié)構(gòu)，它的缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，成品率低。
本實(shí)用新型提出一種改進(jìn)的金屬放電管封離式二氧化碳激光器。用這種金屬放電管，可實(shí)現(xiàn)CO2的分部催化還原，而且增加催化面積，還可增加激光器的冷卻效果，不僅能獲得均勻輝光放電，而且制造工藝簡(jiǎn)單。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)附圖1。激光器包括同軸心地置有三層套管，其中最外一層是貯氣套1，中間一層是水冷套2，最內(nèi)一層稱(chēng)為內(nèi)管3，在內(nèi)管3內(nèi)有由疊加金屬環(huán)41構(gòu)成的金屬管4，則由內(nèi)管3和金屬管4構(gòu)成了激光放電管6，氣體激光工作物質(zhì)12就置于激光放電管6內(nèi)。三層套管的右端，貯氣套1與內(nèi)管3直接相通，三層套管的左端，貯氣套1與內(nèi)管3之間有回氣管5。在貯氣套1兩端的細(xì)管內(nèi)，激光放電管6的兩端有筒狀的陰極7和陽(yáng)極8。在貯氣套1兩端細(xì)管的端面上裝有構(gòu)成激光器諧振腔的凹面全反鏡9和激光輸出耦合鏡10，三層套管可以是玻璃管，或者是石英管等。
上面所說(shuō)的由金屬環(huán)41疊加構(gòu)成的金屬管4的結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)管3的內(nèi)徑為D′2，與金屬環(huán)41的外徑D2基本上是相吻合的。即D′2-D2＜0.1mm，也就是說(shuō)，金屬環(huán)41疊加構(gòu)成的金屬管4置于內(nèi)管3之內(nèi)，兩者是密配合。金屬環(huán)41的厚度為d，金屬環(huán)41與金屬環(huán)41之間的間隙42為Δd。維持小間隙Δd有兩種結(jié)構(gòu)，一是在每個(gè)金屬環(huán)41的一個(gè)面上均布至少三個(gè)絕緣(可以經(jīng)表面陽(yáng)極化處理)突出物43如圖2-1和圖2-3所示，或者在每片金屬環(huán)41上布有一個(gè)厚Δd的絕緣環(huán)45如圖2-2所示。絕緣環(huán)45可以采用玻璃或者聚四氟乙稀制成。金屬環(huán)之間的絕緣是通過(guò)調(diào)整小間隙Δd的大小實(shí)現(xiàn)的，為了更確保金屬環(huán)41的表面絕緣，在金屬環(huán)41的表面包括突出物43，復(fù)蓋一層絕緣膜46，如表面經(jīng)陽(yáng)極化處理，形成一層絕緣的氧化膜。每片金屬環(huán)41的表面均復(fù)蓋一薄層催化膜44(可采用化學(xué)鍍膜的方法)。環(huán)與環(huán)間小間隙42Δd與金屬環(huán)41厚度d的選擇原則是要保證放電時(shí)的小間隙絕緣，不出現(xiàn)環(huán)與環(huán)間放電，并保證放電沿軸向均勻，即在環(huán)內(nèi)及環(huán)外間隙處輝光分布均勻。設(shè)激光放電管內(nèi)縱向電場(chǎng)強(qiáng)度為E，則兩環(huán)間的電位降為E·d，或近似等于總電壓V除以環(huán)數(shù)n，設(shè)環(huán)與環(huán)間擊穿電壓為Vs，則要求滿足Ed＜Vs，Vs為氣體激光工作物質(zhì)12成分及壓強(qiáng)與間隙乘積pΔd的函數(shù)，即Vs＝f(pΔd)(Vs＝pΔd曲線稱(chēng)為帕邢曲線)，上述函數(shù)有個(gè)特點(diǎn)，在某一(pΔd)m值時(shí)Vs最小，隨pd值增加pΔd＞(pΔd)m或pd值減小pΔd＜(pΔd)m，Vs都隨之增大，例如在CO2∶N2∶He＝1∶2∶4混合氣體中，兩平板電極間加直流電壓放電，pΔd＝132乇·毫米時(shí)V＝350伏，pΔd＝108乇·毫米時(shí)，V＝375伏，pΔd＝57乇毫米時(shí)，V＝400V，當(dāng)pΔd＜10乇·毫米時(shí)，V＞1000伏，通常封離式CO2激光器中，E～100V/cm，氣壓15～50乇，因此總可通過(guò)選擇d及Δd使E·d＜Vs(p·Δd)，這樣實(shí)現(xiàn)小間隙絕緣。但是厚度d也不可過(guò)大，否則容易造成在環(huán)內(nèi)沿軸向的不均勻放電。實(shí)驗(yàn)得出，d越小，均勻性越好。一般封離式CO2激光器，(當(dāng)氣壓15→＜50乇)選Δd為0.2～1mm，d為0.5～2cm，都有滿意的結(jié)果?？偟囊?guī)律是Δd越小，絕緣性越好，d越小，縱向放電均勻性越好。金屬環(huán)41的材料可用銅，或鋁或鎳。安裝好的激光器件還要經(jīng)過(guò)活化處理，使催化劑活化。這樣，當(dāng)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因放電引起的CO2分解產(chǎn)物氧原子及CO可就地在金屬環(huán)的表面上的催化膜44上重新合成為CO2。
由于利用了小間隙Δd絕緣的疊加金屬環(huán)41構(gòu)成的金屬管4，因而可實(shí)現(xiàn)在金屬管中產(chǎn)生縱向均勻的直流輝光放電，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有(1)可以利用分部催化還原為CO2，并且由于大大增大了催化面積，而有利于提高催化還原的效率。(2)可更有效地對(duì)氣體冷卻。由下面推算可知，因采用金屬環(huán)41給氣體冷卻帶來(lái)的好處。設(shè)激光放電管6中與氣體接觸的金屬環(huán)41內(nèi)壁溫度為T(mén)1，金屬環(huán)41外壁與內(nèi)管3的內(nèi)壁間隙很小，而認(rèn)為他們的溫度一樣，設(shè)內(nèi)管3的外壁溫度為T(mén)2，它基本上是冷卻水的溫度，表示氣體冷卻效果的是溫度差T1-T2
其中k金，k玻分別是金屬及玻璃的熱導(dǎo)率，I、V為放電電流及電壓，L為激光放電管6的長(zhǎng)度，D1為激光放電管5的外徑，取D1＝10mm，D2為金屬環(huán)41的內(nèi)徑，取D2＝30mm，內(nèi)管3采用玻璃管其壁厚δ＝1mm，
一般在2～3W/cm，k銅＝W/cm·度(金屬環(huán)41采用銅帛成)，k玻＝0.01瓦/cm·度，則用本新型結(jié)構(gòu)有T1-T2＝2.1～3.2℃，在已有技術(shù)中即不是由金屬環(huán)41所構(gòu)成的激光放電管，其T1-T2＝5.8～8.7℃，可見(jiàn)冷卻效果已有顯著的改善。(3)激光放電管的形狀可以方便地改變，如加工成與TEM00相匹配的錐形放電管或某種列陣形式的放電管，而且比已有技術(shù)制作工藝簡(jiǎn)單。


圖1是本實(shí)用新型封離式CO2激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本新型激光器含有三層套管1、2、3及金屬管4的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中圖2-1為金屬環(huán)41的一個(gè)面上均布三個(gè)絕緣突出物43的縱向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2-2為金屬環(huán)41上布有一個(gè)厚Δd絕緣環(huán)45的縱向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2-3為圖2-1的橫向剖視圖。
實(shí)施例如圖1所示，本實(shí)用新型的關(guān)鍵是在該結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)均勻的輝光放電，本實(shí)施例中選用激光放電管6的內(nèi)徑φ12mm，放電管長(zhǎng)30cm，兩端為筒狀電極，金屬管4是用銅環(huán)疊加而成，每片金屬環(huán)41厚d＝5mm或d＝10mm兩種，金屬環(huán)的間隙42Δd＝0.2mm，或Δd＝0.5mm或Δd＝1mm，充入氣體激光工件物質(zhì)12是CO2∶N2∶He＝1∶1∶3或1∶2∶8。
總氣壓p從5乇變化到50乇，放電電流從5ma變化到50ma，在上述結(jié)構(gòu)的條件下都能獲得均勻輝光放電，在金屬環(huán)41與金屬環(huán)41之間不出現(xiàn)放電，金屬環(huán)41內(nèi)部與金屬環(huán)之間空隙處的通光區(qū)輝光分布都是均勻的。實(shí)施例中，選用Δd為0.2～1mm，d選用5～20mm，對(duì)通常封離式CO2激光器，無(wú)論在低氣壓還是高氣壓(＜50乇)，是在小電流或是大電流(5～50ma)都是適用的，也就是說(shuō)均能獲得均勻的輝光放電。
權(quán)利要求1.一種金屬放電管封離式二氧化碳激光器，包括同軸心地置有三層套管，最外一層是儲(chǔ)氣套(1)，中間一層是水冷套(2)，最內(nèi)一層是內(nèi)管(3)，三層套管的右端，儲(chǔ)氣套(1)與內(nèi)管(3)直接連通，三層套管的左端，儲(chǔ)氣套(1)與內(nèi)管(3)之間有回氣管(5)，在儲(chǔ)氣套(1)兩端的細(xì)管內(nèi)，內(nèi)管(3)的兩端置有筒狀的陰極(7)和陽(yáng)極(8)，儲(chǔ)氣套(1)細(xì)端的兩端面置有構(gòu)成激光諧振腔的凹面全反射鏡(9)和輸出耦合鏡(10)，其特征在于在最內(nèi)一層的內(nèi)管(3)內(nèi)置有由金屬環(huán)(41)，在環(huán)(41)與環(huán)(41)之間留有間隙(42)地疊加而構(gòu)成的金屬管(4)，由內(nèi)管(3)和金屬管(4)構(gòu)成內(nèi)置有氣體激光工作物質(zhì)(12)的激光放電管(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種二氧化碳激光器，其特征在于構(gòu)成金屬管(4)的每片金屬環(huán)(41)上均勻分布有絕緣突出物(43)，或者有絕緣環(huán)(45)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種二氧化碳激光器，其特征在于金屬環(huán)(41)的表面有催化膜(44)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種二氧化碳激光器，其特征在于構(gòu)成激光放電管(6)的內(nèi)管(3)的內(nèi)徑D′2與金屬管(4)的外徑D2是密配合，即D′1-D2＜0.1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種二氧化碳激光器，其特征在于構(gòu)成金屬管(4)的金屬環(huán)(41)的厚度d與兩片金屬環(huán)(41)之間的間隙(42)Δd應(yīng)滿足關(guān)系式E·d＜Vs(PΔd)式中E為激光放電管(6)內(nèi)縱向電場(chǎng)強(qiáng)度，Vs為兩片金屬環(huán)(41)之間的擊穿電壓，P為氣體激光工作物質(zhì)(12)的壓強(qiáng)。
專(zhuān)利摘要一種金屬放電管封離式二氧化碳激光器,包括從外層至內(nèi)層同軸心地置有儲(chǔ)氣套,水冷套和由內(nèi)管及金屬管構(gòu)成的激光放電管。其中金屬管是由表面帶有絕緣突出物或者絕緣環(huán)以及表面覆蓋催化膜的金屬環(huán),在環(huán)與環(huán)之間留有小間隙的疊加所構(gòu)成。因此,該新型結(jié)構(gòu)的激光器實(shí)現(xiàn)了分部催化CO
文檔編號(hào)H01S1/00GK2275767SQ9622232
公開(kāi)日1998年3月4日 申請(qǐng)日期1996年11月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月26日
發(fā)明者王裕民, 鄭輝, 吳正亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所