气体激光器的微波激励共振腔 本发明是用于气体激光器的微波泵浦的一种共振腔。
近20年来，随着射频激励气体激光器的成功，利用微波放电泵浦气体激光器的研究也逐渐活跃起来。微波泵浦在He-Ne、N2、准分子、铜蒸气、CO、CO2等介质中都获得了激光。特别在高流动的CO2激光器中已到达数千瓦的水平。其中的关键结构是微波放电结构。所有研究采用的结构有两类，一类是驻波共振腔结构，一类是行波非共振腔结构。在行波非共振腔的结构中微波场均匀，放电均匀，在所有介质中都能产生激光，缺点是单次通过式(非共振式)要求的微波功率太高，而效率太低，如德国H.H.Klingenberg等在文章“1.3mJ XeCl laser pumped by microwaves”(Appl.phys.Lett58(16)，22，(1991))中所采用的。还有原苏联学者采用的，微波功率都在数兆瓦及数百兆瓦，另一类驻波共振腔结构，场强高，效率高，但微波场的纵向驻波结构，导致放电纵向不均匀，在纵向某些截面上出现放电的集中，由于热膨胀，引起局部电场(电场与密度比)增长，结果又加剧热膨胀，使电子密度很快达到一临界值，导致微波的全反射，因此成功的微波泵浦激光器增益介质长度都必须限制在λg/2之内(λg为微波波导波长)，如德国B.Frersinger等所采用地结构(见：B.Freisinger et al.“High Power CO2 Laser Excitedby 2.45 GHz Microwave Discharges”SPIE Vol 1397，1990，P311)，或限制增益长度，如美国John.L.Remo“Open Wave guide Excimer Laser”U.S.Patent 5225，282，Oct，1993)。
本发明的目的是为克服上述已有技术存在的缺限，发明一种微波激励的共振腔，以共振增强微波场。用于纵向长度为大尺寸的气体激光器中，将可实现大面积的均匀放电，从而获得高功率的激光输出。
本发明的结构可参见图1。微波源1通过一段波导管601与一具有三通口的环流器2一通口相连，环流器2的作用是防止从共振腔反向的微波返回微波源1，有返回的微波从环流器2的201通口出来，进入监测器8，从环流器2的另一出射的微波进入中心定向耦合器3，中心定向耦合器3有四个端口，端口303处接一监测器9，端口304通过一波导管603与一调配器(即阻抗匹配器)5相连，端口302通过一波导管602与一相移器4相连，相移器4的另一端及调配器5另一端分别与一“”形波导管604的两端相连，由上述的中心定向耦合器3，波导管6(由三段波导管602、603、604构成)及相移器4、调配器5共同构成一个环形波导通路。待激励的激光器气体放电管7置于环路中“”形波导管604之中。
所说的中心定向耦合器3，是一种耦合比可连续调谐的定向耦合器，其结构是：
1)如图2所示，它是由两个定向耦合器31、32及一个相移器33呈T形连接而成，定向耦合器31的端口312与定向耦合器32的端口322相连，两定耦合器31、32的端口311、321分别与相移器33的端口333、331相连，移动相移器33的连动活塞332，可以使从端口333入射的微波与端口331出射波的相移在0-2π间移动。连续移动活塞332，可使耦合度(从端口304出射的与从301入射的微波功率之比，当端口303为匹配负载时的比值称为耦合度)在0到100％之间变化。
2)连续可调的中心定向耦合器3也可是图3结构，两个称为魔T34、35的电臂342及352通过一“”形波导管10连接起来。两个魔T34及35的磁臂341及351通过一微波电桥(也是一魔T)36连接起来，通过移动魔T36上的两个活塞361及362，可改变从34到35微波传播的相位。从而连续改变中心定向耦合器3的耦合度(304出射波与301入射波的功率比)。
3)中心定向耦合器3的第三种结构是最简单的，由两个魔T37及38的磁臂371及381直接相连(见图5)，两电臂372及382分别通过一段长度可伸缩的波导管391及392与一“”形波导管11连接。通过长度可变的波导管391、392连续伸缩波导管的长度，可使耦合度在0到1间变化。
所说的相移器4的结构也有多种：如：一、利用一个三分贝的定向耦合器33在它的端口上加连动活塞332(见图2中的33，及连动活塞332)移动连动活塞，可使入射与出射微波(从333入射，从331出射)相移在0到2π之间变化。第二种是魔T构成的EH相移器36。(如图3中的36)通过移动活塞361、362的移动，也发生在0-2π间相移。第三种结构的相移器4是直接利用长度可伸缩的波导管如波纹管或一内导管的外径两端插入外导管的内径中，并且外导管可在内导管上滑动，如图4中41、42，图5中391、392及43、44。以达到管子长度变化λg(微波波长)的目的，相移为2π。
所说的调配器5，为螺钉调配器(如图4中51、21、52、22)或EH调配器。
所说的波导管6、10、12等是由黄铜或铝做成的，可以是矩形波导管也可用脊形波导管。采用脊形波导管是为了增强波导管中的电场强度以更有利于气体放电。
所说的端口301、302、303、304、313、314、321、322、333、331分别是上述中心定向耦合器和相移器与波导管衔接的部位，也就是微波的进出口，上述中心定向耦合器及相移器皆为四臂四端口接头。
所说的微波源1是磁控管，或速调管，是连续波运转的或脉冲运转的。
本发明的运转动态过程可简述如下：如图1所示：
从微波源1发出的微波，通过波导管601和环流器2后进入连续可调的中心定向耦合器3，由端口301为入射，微波分两路，从端口303及304出射，当存在反射时，有微波从303及304返回中心定向耦合器3，则微波会从端口201及302射出，从304出射的微波经过环路逆时针一圈后，又从端口302进入中心定向耦合器3，调整中心定向耦合器3的耦合度，相移器4及调配器5，可实现微波行波共振，此时微波所行走的环形路的长度为λg的整数倍，存在逆时针的行波，并且从端口201及303无出射波，因此，在303及环流器2第三个通口201处的微波监测器8指示为零、(实际上是达到最小值)，此时共振增强的微波行波电场在激光器的气体放电管7中产生均匀的放电。
本发明的优点：由于采用微波行波激励放电，可在一个不受长度限制的体积内维持场强的均匀性，因而可实现大尺寸的高功率气体激光器的微波泵浦，具备高功率尺寸放大的特性；由于设计了共振腔结构，克服了非共振行波激励要求的泵浦功率高，效率低的缺点，也就是提高了微波泵浦激光的效率；第三点本发明提出的微波行波共振腔，结构简单，容易实现，可与射频泵浦时类似情况加以比较，在射频激光器中，要在一个较长气体激光器上获得均匀放电，必须附加分段电感，与此相比，本发明结构有明显的简化性。
图1是本发明的气体激光器的微波激励共振腔的整体结构示意图。
图2是连续可调中心定向耦合器3的结构之一。
图3是连续可调中心定向耦合器3的结构之二。
图4是采用图3的中心定向耦合器3的整体结构示意图。
图5为本发明做为施实例之一的结构示意图。
实施例：
如图5所示，中心定向耦合器3采用上述第三种结构，即由魔T37、38构成。微波源1是频率2.45GHz的磁控管(2M-210)，魔T37、38及环路中所用波导管11、12为BJ32(34×72)管，激光器的气体放电管7为He-Ne管，内径φ2.5mm，长40cm，为了监视回路调谐状态，在图5中的端口303处放置一微波检波器9，调谐时第一步在低功率下进行(不出现放电)，调节水平环路的长度(即调节相移器43及44其结构如上述第三种)，使环路长度为微波波导波长λg的整数倍，使其环路内发生共振，调节采用螺钉结构的调配器52，消除向魔T38的臂382的返回波，使微波在水平的环路中发生单向传输共振，此时经微波源1发出的微波将全部进入水平环路中，而从端口303射出的功率(微波检波器指示)达到极小(或接近零)。第一步调好后，加大输入功率，在激光器的气体放电管7中发生放电，再进行一些微调，可达到充满的均匀放电。在He-Ne激光器中充入He∶Ne＝10∶1及7∶1，气压分别为400Pa，300Pa，都获得高的激光功率输出。相反的在驻波共振腔中如此长的介质中获得高的激光功率输出是比较困难。