光学泄漏耦合型波导管环形二维阵列全金属波导CO2激光器 本发明涉及一种波导二氧化碳激光器。
波导CO2激光器的类型已近10种，应用甚广。
兰戈等(激光技术，1994，18(2)：74～76)介绍一种横向射频激励的平板波导CO2激光器，采用金属波导，波导尺寸为1.5×30×400(mm)，获得133W的激光输出功率。
李戈平、辛建国等(中国激光，1996，A23(4)：300～302)介绍的波导CO2激光器，采用金属波导，波导尺寸为1.5×10×400(mm)，高频调制射频激励，获得大于60W的激光输出功率。
辛建国等(中国激光，1994，A21(4)：371～376)介绍了增益长度为200mm，1×13波导阵列CO2激光器的相位锁定45W，获相位锁定45W激光输出功率。
Newman L A等(Appl.phys.Lett.1986，48(25)：1701～1703)介绍了采用相位锁定的中心桥脊波导技术RF激励波导CO2阵列，在2个和3个通道阵列波导器件中，谐振腔长37cm，获得50W和95W的激光输出功率。
黄元庆等(ZL89 108536.X)提出一种环状波导管波导CO2激光器，由单支环状波导管或由无光学耦合型的各自独立的多支环状波导管并联构成，采用玻璃或陶瓷波导管。
本发明的目的在于提供一种结构简单、易于加工、稳定可靠、便于推广应用和商品化，有利于开展波导管二维阵列波导激光器模式等理论研究的高功率、微小型波导CO2激光器。
本发明包括波导管、冷却管、全反射镜与输出镜、两个圆柱管电极和储气室。波导管位于外圆柱管电极(也称电极管)内，两者间为外冷却区，外圆柱管电极的两端接冷却液进出管，而其内侧圆柱曲面为波导面；内圆柱管电极置于波导管内，内圆柱管电极的外侧圆柱曲面开设N个(N≥2)平行凸出桥脊隔离区，形成N个光学泄漏耦合区和N个光学波导元按环形二维阵列，内圆柱管电极的一端接冷却液进出管，在波导管与内圆柱管电极两端相应处开槽并分别置设绝缘垫片，波导管与内圆柱管电极之间为环形波导区。冷却管置于内圆柱管电极内，两者之间为冷却区。全反射镜位于波导管的一个端面上，并与内圆柱管电极及波导管粘固；输出镜粘固在波导管的另一个端面上，全反射镜与输出镜组成光学谐振腔。储气室位于谐振腔主体外侧，储气室的排气管与外圆柱管电极及波导管连接。
波导管阵列波导CO2激光器采用增益通道并联结构，本发明呈封离内腔式结构，采用横向激励方式，与已有的单通道(单支波导管)相比，具有如下优点。
1.本发明的一个电极的内侧圆柱曲面被光学抛光构成一个波导面，另一个电极的外侧圆柱曲面根据需要开成N个(b×c)的平行的凸出桥脊隔离区，这样便形成N个光学泄漏耦合区和N个光学波导元按环形二维阵列，每相邻两个光学波导元就是通过它们之间的光学泄漏耦合区进行耦合。整个器件除两反射镜片为非金属外，其余均采用金属材料制作。
2.由于采用大面积大尺寸电极并加以冷却，故满足扩散型冷却新技术的要求。
3.可通过增益体积的整体缩放技术来满足所需的激光输出功率要求，即在最佳工作气压、气体分压比、工作电压与工作电流、反射镜的反射率与透射率确定之后，主要取决于波导元地模体积以及波导元阵列数N的大小。
4.由于采用封商式结构，故其实用性强；采用金属材料，结构简单，易于加工，能形成批量生产能力，且携带、运输安全可靠；采用横向激励方式，激励源可以是直流，交流，射频等电源，其电极间距一般在1.5～3mm之间，电极间也仅有工作气体，从而大大降低了对电源电压的要求，也使整机实现小型化。显而易见，这种结构的波导CO2激光器件将可取代普通CO2激光器的许多应用领域。
5.由于可与外储气室连通，可随时补充新鲜工作气体，故可大大延长器件使用寿命。
6.由于其两端反射镜紧贴波导管口，其耦合距离为零，即不存在自由空间，故几乎无光能耦合损耗，大大提高了器件的光电转换效率和单位长度的激光输出功率。
图1为本发明的结构剖面图。
图2为图1的A-A剖面图。
如图1所示，本发明的储气室(1)位于谐振腔主体外侧，与波导管(7)、外圆柱管电极(9)之间采用焊接，并确保所需的真空密封性。冷却液进出管(2)，(10)分别焊接在外圆柱管电极(9)的两端，冷却液进出管(5)焊接在内圆柱管电极(3)上，冷却管(4)位于内圆柱管电极(3)内，两者之间采用焊接，形成密封的冷却区。全反射镜(6)位于波导管(7)的一个端面上，用环氧树脂密封胶分别与内圆柱管电极(3)、波导管(7)粘固，并确保所需的真空密封性。内圆柱管电极(3)和波导管(7)两端相应的开槽处分别放置4片绝缘垫片(8)，起隔离及固定两波导面(12，13)相互位置的作用，使内圆柱管电极(3)和波导管(7)之间形成环形波导区。波导管(7)位于外圆柱管电极(9)内，两者之间采用焊接，形成另一外冷却区，且外圆柱管电极(9)接地。输出镜(11)用环氧树脂真空胶粘固在波导管(7)的另一个端面上，输出镜(11)与全反射镜(6)组成长度为L的光学谐振腔。
在图2中，单元光学泄漏耦合区横截面积为(b×c)，其中b为脊宽，c为内圆柱管电极两槽间突出部(简称脊)的高度，波导元横截面积为(2π R-Nb)ΔR/N，其中 R为波导环形区平均半径， R＝(1-2)/2，ΔR＝(2-1)/2，L、1、2的值依据所需的功率选取；b(脊宽)值一般取0.5mm；c值就小于外圆柱管电极(9)的壁厚；a值根据需要选取，这是a取2.25mm；波导面(12)与波导面(13)之间的间隔取(1.5～3)mm。
当其真空度达到设计要求后，按理论设计要求，充入一定气压和按一定比例混合的工作气体(主工作气体为CO2，辅助工作气体为He、N2、CO、Xe等)，待混合均匀后封离激光管。电极接激励电源，管壳接地，通过冷却液后，通电电离，在波导区形成等离子体区，而由此产生的光子则以波导的形式沿N个波导元的波导面传输，到达两端镜后，又折回波导区，这样经过多次往返，形成振荡。当腔内增益高于总损耗时，即形成激光，并从红外输出镜输出波长为10.6μm的CO2激光。
全反射镜(6)采用光学玻璃作为基质材料，镀上金膜；输出镜(11)采用红外材料，如Ge、Zn、Se等，镀上符合激光输出功率要求的相应透射率的介质膜；绝缘垫片采用陶瓷、玻璃等材料，其他均用金属材料。