全金属板条波导气体激光器 技术领域：本发明涉及一种激光器，具体讲涉及一种全金属板条波导气体激光器。
背景技术：射频横向气体放电技术与光学波导技术的结合，推动了波导CO2激光器技术的迅速发展。在过去的十几年里，射频横向激励单波导CO2激光器技术经历了从全陶瓷波导结构、陶瓷与金属夹心波导结构到全金属波导结构的发展过程。在全陶瓷波导结构中(见图1a)，方形波导是由四块真空陶瓷构成，置于二个金属电极之间，放电激励在波导内形成一增益通道区。全陶瓷波导结构的优点是光波损耗小。随着波导CO2激光器技术的发展，为了提高增益冷却效果及降低成本和简化结构，陶瓷与金属夹心波导结构被提了出来(见图1b)。在金属和陶瓷夹心波导结构中，二个金属电极和二个真空陶瓷板构成了波导放电激励通道。为了更进一步降低器件成本以及易模块化生产，1988年美国Synrad公司提出一种射频激励大口径全金属通道CO2激光器技术[1](见图1c)。在这种技术中，波导通道是由四根经过阳极氧化表面处理的铝合金电极构成的，侧壁电极接地，上下电极相位差180度，形成四电极放电形式。1991年北京理工大学的辛建国等人研制成一种射频横向二电极放电激励全金属波导结构CO2激光器技术[2](见图1d)。在这种结构中，上下电极和波导侧壁均为铝合金，在波导侧壁与上下电极间留有厚0.1mm的气体间隙，根据气体放电的巴邢原理，在极小气体间隙间，气体击穿电压较高。因而适当设计波导通道口径尺寸，可将气体放电激励限制在波导通道内。
国际上目前报道的拥有射频激励全金属CO2激光器技术的仅两家，美国Synrad公司的射频激励四电极大口径全金属通道CO2激光器和北京理工大学的射频横向激励二电极全金属波导结构CO2激光器。
但到目前为止，国内外所报道的面增比板条波导射频激励扩散型冷却CO2激光器均采用的是金属与陶瓷夹心结构。从技术上说，金属与陶瓷夹心结构波导射频激励扩散型冷却CO2激光器利用陶瓷来电隔离放电电极，以使在金属与陶瓷夹心结构的波导内产生气体放电形成增益区；而全金属波导结构射频激励扩散型冷却CO2激光器利用气体放电的巴邢原理，将气体放电抑制在全金属波导内形成增益区。两种技术的增益区形成原理根本不同。
发明内容：本发明提供一种全金属板条波导激光器，利用气体放电的巴邢原理和采用射频横向气体放电激励在金属波导内形成激光增益。构成一种射频横向气体放电激励的板条全金属波导气体激光器。该种激光器与陶瓷结构板条波导及陶瓷和金属夹心结构板条波导激光器相比，可降低器件成本和可形成模块化生产。
本发明提供了一种全金属板条波导气体激光器，所述激光器包括金属中心电极1、金属下电极2、两金属侧壁3和电绝缘件4构成板条波导气体放电区；设有沿金属中心电极1长度方向的、连接在金属中心电极1和两金属侧壁3间的匹配电感7；沿电极长度方向设有置于金属中心电极1下角棱B和两金属侧壁3间地使其间具有一间隙的电绝缘件4；两金属侧壁3和金属下电极2直接相连；金属下电极2与真空腔12内壁直接相连或通过其他金属部件和真空腔12内壁相连；金属中心电极1和电极连接杆10连接；电极连接杆10穿过真空隔离绝缘衬套11与外部器件相连。
本发明提供的一种优选金属板条波导气体激光器，所述激光器包括金属中心电极1、金属下电极2、两金属侧壁3和电绝缘件4构成板条波导气体放电区；设有沿金属中心电极1长度方向的、连接在金属中心电极1和两金属侧壁3间的匹配电感7；沿电极长度方向设有置于金属中心电极1下角棱B和两金属侧壁3间的使其间具有一间隙的电绝缘件4；两金属侧壁3和金属下电极2直接相连；金属下电极2与真空腔12内壁直接相连或通过其他金属部件和真空腔12内壁相连；金属中心电极1和电极连接杆10连接；电极连接杆10穿过真空隔离绝缘衬套11与外部器件相连。沿电极长度方向设有置于金属中心电极1和金属下挤压板8或真空腔12内壁间的使其间成一间隙的电绝缘件4；金属下挤压板8的斜面和金属上挤压板9的斜面直接相连；金属上挤压板9的平面与真空腔内壁直接相连。
本发明提供的较优选的金属板条波导气体激光器，所述激光器包括金属中心电极1、金属下电极2、两金属侧壁3和电绝缘件4构成板条波导气体放电区；设有沿金属中心电极1长度方向的、连接在金属中心电极1和两金属侧壁3间的匹配电感7；沿电极长度方向设有置于金属中心电极1下角棱B和两金属侧壁3间的使其间具有一间隙的电绝缘件4；两金属侧壁3和金属下电极2直接相连；金属下电极2与真空腔12内壁直接相连或通过其他金属部件和真空腔12内壁相连；金属中心电极1和电极连接杆10连接；电极连接杆10穿过真空隔离绝缘衬套11与外部器件相连。沿电极长度方向设有置于金属中心电极1和金属下挤压板8或真空腔12内壁间的使其间成一间隙的电绝缘件4；金属下挤压板8的斜面和金属上挤压板9的斜面直接相连；金属上挤压板9的平面与真空腔内壁直接相连。所述波导气体放电区高为1-6mm，宽为2-200mm。
本发明提供的最优选的金属板条波导气体激光器，所述激光器包括金属中心电极1、金属下电极2、两金属侧壁3和电绝缘件4构成波导气体放电区；设有沿金属中心电极1长度方向的、连接在金属中心电极1和两金属侧壁3间的匹配电感7；沿电极长度方向设有置于金属中心电极1下角棱B和两金属侧壁3间的使其间具有0.05-0.5mm间隙的电绝缘件4；两金属侧壁3和金属下电极2直接相连；金属下电极2与真空腔12内壁直接相连或通过其他金属部件和真空腔12内壁相连；金属中心电极1和电极连接杆10连接；电极连接杆10穿过真空隔离绝缘衬套11与外部器件相连。沿电极长度方向设有置于金属中心电极1和金属下挤压板8或真空腔12内壁间的使其间成0.05-0.5mm间隙的电绝缘件4；金属下挤压板8的斜面和金属上挤压板9的斜面直接相连；金属上挤压板9的平面与真空腔内壁直接相连。所述波导气体放电区高为1-6mm，宽为2-200mm。
本发明的全金属板条波导激光器，其结构由图2和图3所示。金属中心电极1，金属下电极2和两金属侧壁3构成板条波导气体放电区5，高H＝1-6mm，宽W＝2-200mm，即激光增益区。沿金属中心电极1长度方向，在金属中心电极1和两金属侧壁3之间连接数个匹配电感7，两金属侧壁3和金属下电极2直接相连，金属下电极2置于金属托板6之上并紧密连接。沿电极长度方向有数个电绝缘件4置于金属中心电极1的下角棱B(见图4)和两金属侧壁3(见图5)之间，在金属中心电极1和两金属侧壁3之间形成0.05-0.5mm间隙。金属中心电极1与电极连接杆10连接，电极连接杆10穿过真空隔离绝缘衬套11与真空腔12外的器件相连。金属中心电极1的下角棱A和上角棱B的角度(见图4)取值在20-80度之间。两金属侧壁3的内角棱C和外角棱D的角度(见图5)取值在20-80度之间。沿电极长度方向有数个电绝缘件4置于金属中心电极1的上角棱A(见图4)和金属下挤压板8(见图6)或金属真空腔12内壁之间，在金属中心电极1和金属下挤压板8或金属真空腔12内壁之间形成0.05-0.5mm的间隙。金属下挤压板8的两个长度方向的角棱E的角度(见图6)取值在20-80度之间。金属下挤压板8和金属上挤压板9各有一个斜面，金属下挤压板8的斜面和金属上挤压板9的斜面直接相连(见图3)。通过改变金属下挤压板8和金属上挤压板9的长度方向的相对位置，可调节金属下挤压板8和金属上挤压板9叠加在一起的总高度，从而可将由金属中心电极1，金属下电极2，两金属侧壁3，电绝缘件4，金属托板6，匹配电感7，金属下挤压板8，金属上挤压板9和电极连接杆10构成的组件固定于金属真空腔12内。
光学谐振腔输出镜片13安装于输出镜片金属固定架14内，输出镜片金属固定架14通过输出镜架金属调节螺杆15与输出镜架金属调节支撑架16相连接，输出镜架金属调节支撑架16固定在金属托板6上(如图3所示)。光学谐振腔后反馈镜片17安装于后反馈镜片金属固定架18内，后反馈镜片金属固定架18通过后反馈镜架金属调节螺杆19与后反馈镜架金属调节支撑架20相连接，后反馈镜架金属调节支撑架20固定在金属托板6上。激光输出窗口22真空封接在真空腔12前端面板上(如图3所示)。
在本发明提供的激光器结构中，由于板条波导是全金属波导，所以其具有良好的导热性和低成本的优势。当采用铝合金等金属材料时，其零部件可采用挤压成型的工艺，可实现模块化生产，进一步降低成本。与以往的全陶瓷波导结构激光器件或陶瓷与金属夹心波导结构激光器件相比，有着成本低的较大优势。与以往的全金属波导结构激光器件相比，由于如金属侧壁3和金属下电极2直接相连；金属下挤压板8的斜面和金属上挤压板9的斜面直接相连；金属上挤压板9的平面于真空腔内壁直接相连，所以结构更为简单，导热性能进一步提高，利用射频气体放电激励可形成板条型增益区，结合光学谐振腔可实现全金属板条波导结构激光器件。
附图说明：
附图1.气体激光器中现有波导结构示意图
a.全陶瓷单通道波导结构；b.陶瓷与金属夹心结构；c.全金属四电极大口径通道结构；d.全金属方波导结构。
附图2A.全金属板条波导结构横截面示意图
1.金属中心电极；2.金属下电极；3.金属侧壁；4.电绝缘件；5.板条波导气体放电区；6.金属托板；7.匹配电感；8.金属下挤压板；9.金属上挤压板；10.电极连接杆；11.真空隔离绝缘衬套；12.金属真空腔。
附图2B.全金属板条波导结构横截面示意图
1.金属中心电极；2.金属下电极；3.金属侧壁；4.电绝缘件；5.板条波导气体放电区；6.金属托板；7.匹配电感；10.电极连接杆；11.真空隔离绝缘衬套；12.金属真空腔。
附图3A.全金属板条波导结构纵向截面示意图
1.金属中心电极；3.金属侧壁；4.电绝缘件；6.金属托板；7.匹配电感；8.金属下挤压板；9.金属上挤压板；12.金属真空腔；13.光学谐振腔输出镜片；14.输出镜片金属固定架；15.输出镜架金属调节螺杆；16.输出镜架金属调节支撑架；17.光学谐振腔后反馈镜片；18.后反馈镜片金属固定架；19.后反馈镜架金属调节螺杆；20.后反馈镜架金属调节支撑架；21.电极连接杆连接口；22.激光输出窗口；23.激光输出光束。
附图3B.全金属板条波导结构纵向截面示意图
1.金属中心电极；2.金属侧壁；4.电绝缘件；6.金属托板；7.匹配电感；12.金属真空腔；13.光学谐振腔输出镜片；14.输出镜片金属固定架；15.输出镜架金属调节螺杆；16.输出镜架金属调节支撑架；17.光学谐振腔后反馈镜片；18.后反馈镜片金属固定架；19.后反馈镜架金属调节螺杆；20.后反馈镜架金属调节支撑架；21.电极连接杆连接口；22.激光输出窗口；23.激光输出光束。
附图4.金属中心电极1的角棱示意图
A.金属中心电极上角棱；B.金属中心电极下角棱；h1.金属中心电极下角棱高度；d1.金属中心电极下角棱宽度；h2.金属中心电极上角棱高度；d2.金属中心电极上角棱宽度；L1.金属中心电极长度；W1.金属中心电极宽度；H1.金属中心电极高度；21.电极连接杆连接口。
附图5.金属侧壁3的角棱示意图
A.金属侧壁内角棱；B.金属侧壁外角棱；h3.金属侧壁外角棱高度；d3.金属侧壁外角棱宽度；h4.金属侧壁内角棱高度；d4.金属侧壁内角棱宽度；L3.金属侧壁长度；W3.金属侧壁宽度；H3.金属侧壁高度。
附图6.金属下挤压板8的角棱示意图
A.金属下挤压板角棱；h5.金属下挤压板角棱高度；d5.金属下挤压板角棱宽度；L5.金属下挤压板长度；W5.金属下挤压板宽度；H5.金属下挤压板高端高度；H6.金属下挤压板低端高度。
附图7.金属下电极2的示意图
L2.金属下电极长度；W2.金属下电极宽度；H2.金属下电极高度。
图8.金属托板6的示意图
L4.金属托板长度；W4.金属托板宽度；H5.金属托板高度。
图9.金属上挤压板9的示意图
L6.金属下挤压板长度；W6.金属下挤压板宽度；H7.金属下挤压板低端高度；H8.金属下挤压板高端高度。
图10.金属真空腔12的示意图
L7.金属真空腔长度；W7.金属真空腔外宽度；W8.金属真空腔内宽度；H9.金属真空腔外高度；H10.金属真空腔内高度；11.真空隔离绝缘衬套。
附图11.光学谐振腔与板条波导气体放电区5的相对位置示意图板条波导气体放电区；13.光学谐振腔输出镜片；17.光学谐振腔后反馈镜片；23.激光输出光束；Lg.光学谐振腔长度。
具体实施方式：在板条波导气体激光器中，激光增益是一个板条状增益。采用本发明的全金属板条波导结构，利用射频气体放电激励，可形成板条型激光增益体积，与光学谐振腔结合，可获得有效的激光功率输出(见图2和图3)。
其实例参数如下：
金属中心电极1，金属下电极2，两金属侧壁3，金属托板6，金属下挤压板8，金属上挤压板9，输出镜片金属固定架14，后反馈镜片金属固定架18，输出镜架金属调节支撑架16和后反馈镜架金属调节支撑架20均由防锈铝合金制成，绝缘件4是由Al2O3真空瓷制成的薄片，电极连接杆10和匹配电感7由金属铜制成，金属真空腔12由锻铝合金制成。输出镜架金属调节螺杆15和后反馈镜架金属调节螺杆19由铜合金制成。
金属中心电极1长L1为386mm，宽W1为40mm和高H1为20mm，上角棱A的角度为45°，上角棱A宽d2为2mm，高h2为2mm。下角棱B的角度为45°，下角棱B的宽d1为2mm，高h1为2mm(见图4)；金属下电极2长L2为386mm，宽W2为24mm和高H2为17mm(见图7)；金属侧壁3长L3为386mm，宽W3为10mm和高H3为19mm，外角棱C的角度为45°，外角棱C宽d4为2mm，高h4为2mm。内角棱D的角度为45°，内角棱D的宽d3为2mm，高h3为2mm(见图5)；金属托板6长L4为486mm，宽W4为36mm和高H4为8mm(见图8)；金属下挤压板8长L5为386mm，宽W5为40mm，高端高H5为2mm和低端高H6为25mm，角棱E的角度为45°，角棱E宽d5为2mm，高h5为2mm(见图6)；金属上挤压板9长L6为386mm，宽W6为36mm，低端高H7为2mm和高端高H8为25mm(见图9)；电绝缘件4是直径为8mm，厚度为0.1mm的圆形薄片。金属真空腔12长L7为470mm，外宽W7为94mm，外高H9为94mm，内宽W8为74mm，内高H10为74mm(见图10)。
光学谐振腔是一个离轴虚共焦非稳腔，光学谐振腔输出镜片13是一个离轴凸面反射镜，曲率半径r为3280mm；光学谐振腔后反馈镜片17是一个离轴凹面反射镜，曲率半径R为4100mm；光学谐振腔腔长Lg为410mm(见图11)。输出光束尺寸为高为2mm，宽为4mm。
通过调节金属下挤压板8和金属上挤压板9的纵向相对位置，可调节金属下挤压板8和金属上挤压板9叠加在一起的总高度，从而将由金属中心电极1，金属下电极2，金属侧壁3，电绝缘件4，金属托板6，匹配电感7，金属下挤压板8，金属上挤压板9和电极连接杆10构成的组件固定于金属真空腔12内。以此形成一个高H为2mm，宽W为20mm的全金属板条波导气体放电区5(见图2和图3)。
通过从电极连接杆10输入射频功率，在全金属板条波导气体放电区5产生射频气体放电激励，可形成板条型激光增益体积，与光学谐振腔结合，可获得有效的激光功率输出(见图3和图11)。
本领域的普通技术人员在阅读本发明的说明书后可以对本发明的具体实施方式进行种种变更或修改，但这些变更和修改均在申请待批的权利要求书的范围之内。